NON LINEAR CONTROL DESIGN FOR INDUCTION MOTORS AND SYNCHRONOUS GENERATORS

The thesis incorporates recent advances in the design of nonlinear control laws for induction motors and synchronous generators: robust, adaptive, state or output feedback control techniques are used for both these electro-mechanical systems which are modelled by ¯nite dimensional, deterministic ordinary differential equations and are possibly affected by uncertainties, such as unknown constant and time-varying parameters. Induction motors, which, due to their simpler construction, are more reliable and less expensive than those permanent magnet, switched reluctance and d.c. motors are di±cult to control for several reasons: their dynamics are intrinsically nonlinear and multivariable (two control inputs and two outputs to be controlled); not all of the state variables and not all of the outputs to be controlled may be available for feedback; there are critical uncertain parameters such as load torque, which is typically unknown in all electrical drives, and rotor resistance, which, due to rotor heating, may vary up to 100% during operations. The availability of low cost powerful digital signal processors and advances in power electronics made complex algorithms implementable even for medium- and small-size induction motors, which, in this way, could replace currently used motors provided that high dynamic tracking performance along with highpower efficiency are achieved: this is what motivated intense research efforts in induction motor control design. In analogous way, transient stabilization and voltage regulation for power systems are classically difficult control problems: all the dynamic models which have been developed for a single machine connected to an in¯nite bus show an intrinsic nonlinear nature and, consequently, there are several stable and unstable equilibrium points. Early studies aimed at determining the stability regions of desired operating conditions by means of Lyapunov functions in order to study the effect of perturbations. In fact, sudden mechanical and electrical perturbations may drive the system outside its stability region and force the generator to be disconnected from the network. The transient stabilization and voltage regulation problem consists in the design of an excitation control which keeps the generator speed close to the synchronous speed when perturbations occur (transient stabilization) and regulates the output voltage to the corresponding reference value in the case of permanent constant perturbations (voltage regulation). To this purpose, linear controllers are actually employed which are designed on the basis of linear approximations around operating conditions: only small perturbations and deviations from operating conditions can be handled. It is clear that nonlinear controllers are required to handle the large perturbations that typically occur in power systems. The thesis is divided into two parts: Part I (induction motor) consists of Chapters 2, 3 and 4 while Part II (synchronous generator) consists of Chapters 5 and 6. Chapters 2 and 3 address the problem of controlling a speed-sensorless induction motor: the existence of a global controller is explored in Chapter 2, while a nonlinear adaptive control scheme is developed in Chapter 3. Chapter 4 is devoted to nonlinear control design for a sensorless induction motor: an output feedback control algorithm is proposed. Chapters 5 and 6 address the problem of controlling a synchronous generator with parameter uncertainty: a nonlinear robust adaptive transient stabilizing control is presented in Chapter 5, while Chapter 6 proposes a nonlinear robust adaptive transient stabilizing and output regulating control algorithm.

La tesi presenta recenti sviluppi nel progetto di leggi di controllo non lineari per motori ad induzione e generatori sincroni: tecniche di controllo robuste, adattative, in retroazione dallo stato o dall'uscita sono utilizzate per tali sistemi elettromeccanici descritti da equazioni differenziali ordinarie, deterministiche e ¯nito-dimensionali e possibilmente caratterizzati da incertezze come parametri non noti (costanti o tempovarianti). I motori ad induzione, che, grazie alla loro più semplice struttura, sono più affidabili e meno costosi di quelli a magneti permanenti, a riluttanza variabile e in corrente continua, sono difficili da controllare per diverse ragioni: le dinamiche sono intrinsecamente non lineari e multivariabile (due ingressi di controllo e due uscite da controllare) ; non tutte le variabili di stato e non tutte le uscite da controllare possono essere disponibili per la retroazione; sono presenti parametri critici incerti, come la coppia di carico, tipicamente non nota in tutti i motori elettrici e la resistenza rotorica, che può variare fino al 100 % durante il funzionamento a causa del riscaldamento del rotore. La disponibilità di potenti DSP a basso costo e i progressi nell'elettronica di potenza hanno reso algoritmi complessi implementabili anche per motori ad induzione di media e piccola taglia, che, in tal modo, sono effettivamente in grado di sostituire i motori elettrici usati, ammesso che siano garantite alte prestazioni dinamiche ed elevata e±cienza: ciò ha motivato intensi sforzi di ricerca nel progetto di controllori non lineari per motori ad induzione. In modo analogo, la stabilizzazione transitoria e la regolazione della tensione per sistemi di potenza sono problemi di controllo classicamente di±cili: tutti i modelli dinamici che sono stati proposti per una singola macchina connessa a un in ¯ n ite bu s mostrano una intrinseca natura non lineare e, di conseguenza, diversi punti di equilibrio stabili e instabili. Primi studi miravano alla determinazione di regioni di stabilità delle condizioni operative desiderate, via funzioni di Lyapunov, cosi da studiare l'effetto delle improvvise perturbazioni meccaniche e elettriche che possono destabilizzare il sistema e forzare il singolo generatore ad essere disconnesso dalla rete. Il problema consiste dunque nel mantenere la velocità del generatore prossima alla velocità sincrona quando perturbazioni occorrono (stabilizzazione transitoria) e regolare la tensione di uscita al corrispondente valore di riferimento nel caso di perturbazioni costanti e permanenti (regolazione della tensione in uscita). A tal riguardo, i controllori lineari realmente impiegati, progettati sulla base di approssimazioni lineari attorno alle condizioni operative, non sono in grado di sostenere le forti perturbazioni che tipicamente occorrono nei sistemi di potenza: controllori non lineari sono di conseguenza richiesti. La tesi è suddivisa in due parti: la prima parte (motore ad induzione) è formata dai capitoli 2, 3 e 4, mentre la seconda parte (generatore sincrono) consiste dei capitoli 5 e 6. I capitoli 2 e 3 affrontano il problema del controllo di motori ad induzione senza sensore di velocità: l'esistenza di uno schema di controllo globale è esplorata nel capitolo 2 mentre una legge di controllo non lineare adattativa è progettata nel capitolo 3. Il capitolo 4 è dedicato al progetto di un controllore non lineare per motori ad induzione sen so rless: uno schema di controllo in retroazione dall'uscita è proposto. I capitoli 5 e 6 concernono il problema del controllo di un generatore sincrono con incertezze nei parametri: nel capitolo 5, un controllore non lineare robusto adattativo è presentato per la stabilizzazione transitoria, mentre il capitolo 6 propone una legge di controllo non lineare robusta adattativa che garantisce sia stabilizzazione transitoria che regolazione della tensione in uscita.