Tolerancia a Fallas en Accionamientos Eléctricos con Motor de Inducción

LUIS E. VENGHI; FACUNDO AGUILERA; PABLO M. DE LA BARRERA; CRISTIAN H. DE ANGELO

Rafaela

Jornada; Jornada Anual de Puertas Abiertas; 2022

Centro de Investigación y Transferencia - UNRaf

Los AE se componen por una máquina eléctrica, un inversor y un sistema de control que hace uso de sensores para monitorear el estado de funcionamiento del sistema.Estos AE son susceptible a diferentes tipos de fallas siendo las fallas en los sensores y en las llaves del inversor las principales causas de pérdida de control del AE y en aplicaciones como VE puede representar situaciones que involucren la seguridad de las personas. Un AE de tracción utiliza una estrategia de control vectorial de altas prestaciones que requiere de la información de la señal de referencia de velocidad obtenida mediante los pedales de acelerador y freno, de la información de un sensor de velocidad, un sensor de tensión de DC-link y dos o tres sensores de corriente. Estos sensores son propensos a fallas como falsos contactos, ruidos, offset y ganancia, las que degradan el desempeño del control e incluso pueden provocar fallas destructivas en el AE.Particularmente, los sensores de velocidad son los más tratados en la literatura debido a q son más propensos a falla que otro tipo de sensores porque se encuentran expuestos a golpes y esfuerzos mecánicos. Además, desde el punto de vista de control, una falla en el sensor de velocidad implica la falta total o parcial de la información que es utilizada para cerrar el lazo de control de velocidad. Por lo tanto, implica riesgo de inestabilidad de la estrategia de control debido a la acción integral que generalmente se incluye para lograr el seguimiento de las referencias de velocidad. Sin embargo, para evitar que las fallas en el sensor de velocidad afecten el desempeño de la estrategia de control, se utilizan las estrategias sensorless donde la medición del sensor de velocidad se reemplaza por un sensor virtual elaborado a partir de un modelo matemático que utiliza la mediciones de las corrientes. Por otro lado, los AE utilizan por lo general un solo sensor de tensión para medir la tensión del DC-link. Incluso, en algunas aplicaciones no se utiliza este sensor, debido a que se supone que el valor de la tensión del DC-link es conocido y constante, y las tensiones de fase se determinan a partir de las tensiones de referencia del control del inversor. Además, las fallas en los sensores de tensión pueden ser detectadas con mayor facilidad y no presentan consecuencias tan críticas como lasfallas en otro tipo de sensores. Respecto a los sensores de corriente, se utilizan para estimar los flujos del rotor para controlar las corrientes de fase del MI. Por esta razón, una falla de los sensores de corriente incorpora oscilaciones en los lazos de control de corriente, provocando el desbalance delas corrientes del estator del MI. Incluso, las fallas más severas pueden producir una pérdida total de control del AE en un corto periodo de tiempo y provocar el incremento de las corrientes de fase a valores superiores a los nominales, pudiendo dañar la electrónica de potencia o los devanados del motor. Si estas fallas ocurren cuando el AE se encuentra impulsando un vehículo, afectaría su desempeño dinámico, lo que en condiciones críticas, puede provocar situaciones de riesgo para las personas.Por otro lado, se utiliza un inversor para regular la transferencia de energía entre las baterías y el MI para obtener una velocidad variable. Este inversor se encuentra sujeto a condiciones estrictas de funcionamiento debido a que los VE se encuentra expuesto a fuertes transitorios de aceleración y de par de frenado que demandan el incremento eventual de las corrientes, lo que produce estrés térmico e impacta sobre la vida útil de sus llaves. Consecuentemente, hay una degradación de los dispositivos semiconductores que finalmente puede resultar en fallas de cortocircuito o de circuito abierto. Las fallas de cortocircuito produce un par de frenado repentino sobre el AE y debido al reducido tiempo en que se manifiesta la falla, se utilizan dispositivos de protección estándar para realizar la apertura del circuito para evitar consecuencias destructivas de la electrónica. Por esta razón, las fallas de cortocircuito luego de que actúan las protecciones se pueden tratar como fallas de circuito abierto. Respecto a las fallas de circuito abierto, producen la distorsión de las corrientes del estator y una componente de corriente continua tanto en la fase defectuosa como en las fases sanas. Debido a esto, se producen pulsaciones y reducciones en el par desarrollado a la frecuencia de las corrientes del estator. Además, las componentes de continua generan una tensión desigual en los transistores superior e inferior y puede causar fallas secundarias en el AE. Las fallas de circuito abierto degradan el desempeño del control y en periodos prolongados pueden llevar al apagado total del sistema debido a fallas múltiples en las llaves del inversor.Por lo tanto, es importante diagnosticar este tipo de fallas mediante una estrategia de detección y localización de fallas (DLF) integrada, para luego efectuar una acción paliativa a la situación de falla.Existen muchos trabajos relacionados a la DLF en forma independiente para cada una de estas fallas (en sensores y en llaves del inversor).Integrar estos diagnósticos dedicados a cada tipo de falla en una única estrategia de DLF, puede incrementar los costos computacionales, o bien puede no ser factibles de implementar, o puede dar lugar a diagnósticos incorrectos. Por lo tanto, es importante diseñar estrategias de DLF que permitan diagnosticar de manera integral las fallas en diferentes partes de un AE, particularmente en este caso en sensores de corriente y las fallas en las llaves del inversor.