Sistema de Control para la estabilización de Voltaje en la terminal de potencial de un acelerador Tándem Van de Graaff

Abstract

En esta investigación se desarrolla un modelo matemático basado en un circuito eléctrico equivalente que describe el comportamiento dinámico de la terminal de potencial de un acelerador Tándem Van de Graaff. El propósito principal es reducir las variaciones del voltaje en dicha terminal, con el fin de mejorar la estabilidad operativa del acelerador. Se proponen dos enfoques para modelar el tiempo de tránsito de la corriente que circula a través de las puntas de corona: el primero introduce una autoinductancia equivalente en el triodo corona, mientras que el segundo lo representa mediante un retardo temporal en la corriente de descarga. La validez del modelo se comprobó mediante pruebas experimentales realizadas en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ). Se utilizó la Raíz del Error Cuadrático Medio (RECM) como métrica para cuantificar la exactitud de los modelos propuestos. Los resultados muestran que la RECM es menor en el modelo con autoinductancia equivalente, en comparación con el modelo retardado. Esto indica que el modelo con autoinductancia equivalente representa con mayor precisión el comportamiento real de la terminal de potencial del acelerador.

A partir del modelo propuesto, se evaluaron dos estrategias de control para mitigar las variaciones de voltaje en la terminal de potencial: un controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) y un Controlador por Modos Deslizantes (CMD). El análisis comparativo, basado en el cálculo de la RECM, evidencia que ambas técnicas son eficaces para regular la tensión; sin embargo, la RECM es menor en el controlador por modos deslizantes, además de ofrecer un mejor desempeño dinámico al eliminar el sobreimpulso y reducir el tiempo de estabilización (3.6 s).

Los algoritmos de control fueron implementados en un sistema digital embebido, que constituye el núcleo del estabilizador desarrollado para la terminal de alto voltaje. Los resultados experimentales corroboran los obtenidos por simulación, validando así la efectividad del enfoque propuesto. Es importante señalar que el control PID genera mayores variaciones en el voltaje de la terminal en comparación con el CMD. En el modo de operación GVM las oscilaciones máximas alcanzaron ±1.17 kV con el control PID, frente a ±0.64 kV obtenidas con el CMD, mientras en el modo SLIT las oscilaciones máximas alcanzaron ±2.17 kV con el control PID, frente a ±0.94 kV obtenidas con el CMD, lo que sugiere una mayor estabilidad con el CMD.