Contribuições para Modelagem e Controle de um Sistema de Acionamento Submarino baseado em Máquinas de Ímãs Permanentes

Abstract

Novas soluções para a extração de petróleo e gás têm impulsionado a exploração de ambientes cada vez mais desafiadores, como águas profundas, resultando no desenvolvimento de sistemas de acionamento submarino (SAS) para viabilizar essa produção. Nesse contexto, este trabalho propõe a modelagem e estratégias de controle sensorless para um SAS baseado em máquina síncrona de ímãs permanentes (MSIP), cuja utilização é atrativa nessas aplicações, devido às suas menores perdas mecânicas em comparação ao motor de indução para uma mesma velocidade de operação. A MSIP é acionada por um inversor fonte de tensão por meio de um longo umbilical de potência, o que aumenta a complexidade do sistema. Além disso, a ausência de sensores de corrente e de posição/velocidade na máquina torna a implementação das técnicas de controle ainda mais desafiadora. A partir do sistema de acionamento em estudo, são desenvolvidos os modelos matemáticos dos principais componentes, em especial o umbilical de potência, formando o modelo matemático do sistema nos eixos de referência síncrona dq. A operação do sistema com controle escalar é analisada e é apresentada uma estratégia de controle vetorial sensorless, que utiliza a abordagem do modelo de referência adaptativo. Também são apresentadas análises de estabilidade de pequenos sinais do sistema operando com controle escalar convencional e com amortecimento ativo, bem como análises do estimador de velocidade e corrente, evidenciando a faixa de estabilidade do sistema em função da sua frequência de operação, o que constitui uma das principais contribuições deste trabalho. Além disso, as estratégias propostas são validadas por meio de resultados de simulação e experimentais. Com uma bancada experimental em escala reduzida, conduz-se o estudo de estabilidade do sistema operando com controle escalar, verificando as regiões estáveis de operação e o efeito do amortecimento ativo, que reduz as oscilações de velocidade decorrentes de perturbações de torque.

Abstract: New solutions for oil and gas extraction have driven exploration into increasingly challenging environments, such as deepwater fields, leading to the development of subsea drive systems to enable this production. In this context, this work proposes the modeling and sensorless control strategies for an high power subsea drive system based on a permanent-magnet synchronous machine (PMSM), whose use is attractive for these applications due to its lower mechanical losses compared to induction motors at the same operating speed. The PMSM is driven by a voltage-source inverter through a long step-out cable, which increases the system complexity. In addition, the absence of current and position/speed sensors in the machine makes the implementation of control techniques even more challenging. Based on the drive system under study, mathematical models of the main components are developed, highlighting the umbilical model, resulting in a complete system model expressed in the synchronous dq reference frame. The operation of the system under scalar control is analyzed, and a sensorless vector control strategy based on the model reference adaptive system (MRAS) approach is presented. Small-signal stability analyses of the system operating under conventional scalar control and with active damping are also presented, as well as analyses of the speed and current estimators, highlighting the stability range as a function of operating frequency, which constitutes one of the main contributions of this work. Furthermore, the proposed strategies are validated through simulation and experimental results. Using a reduced-scale experimental setup, the stability of the system operating with scalar control is evaluated, identifying the stable operating regions and the effect of active damping, which mitigates speed oscillations caused by torque disturbances.