Tractant de controlar l'energia elèctrica

És probable que les paraules electrònica de potència i convertidors de potència dissuadeixin poc. No obstant això, cal destacar la importància d'aquesta tecnologia en les diferents aplicacions que ens envolten. Exemples d'aquestes aplicacions són els sistemes de generació basats en energies renovables (molins de vent, sistemes fotovoltaics, etc.). ), màquines propulsores, trens i vehicles elèctrics i híbrids. A vegades és possible la fallada dels components del convertidor de potència posant en perill la integritat dels sistemes. En aquest sentit, el grup de recerca de l'Escola Superior d'Enginyeria de la UPV-EHU en electrònica aplicada APERT ha investigat el funcionament de convertidors matricials de potència per a abordar aquesta problemàtica. El resultat d'aquest treball de recerca ha estat la tesi doctoral de l'autor.

Els convertidors de potència es construeixen mitjançant la interconnexió de dispositius electrònics que actuen com a interruptors, construïts mitjançant la combinació de dispositius semiconductors, amb la finalitat de transformar l'energia elèctrica de manera controlada. Per a complir amb aquest objectiu és necessari controlar adequadament els períodes d'encesa i apagat dels interruptors. Això permet controlar la posició, velocitat, moment electromagnètic, etc. de les màquines elèctriques que sovint estan connectades a les sortides dels convertidors de potència.

En els convertidors de potència podem diferenciar diferents topologies en funció de la configuració dels interruptors. Els rectificadors i els inversors són, en l'actualitat, una de les topologies més madures i conegudes. No obstant això, en la tesi s'ha estudiat en profunditat el convertidor de potència conegut com a convertidor matricial (MC, Matrix Converter). Aquest convertidor té unes característiques especials, i a mesura que es desenvolupa aquesta tecnologia, el seu ús pot estendre's considerablement. Les característiques que es presenten a continuació permeten utilitzar el MC en aplicacions molt especials.

Convertidor matricial de potència en aplicacions crítiques especials

La conversió de potència per a alterna (AC/AC) és necessària en diverses aplicacions industrials. Per exemple, aquesta conversió es realitza per a adaptar a la xarxa l'energia elèctrica generada en el generador d'un molí de vent. En aquest sentit, el MC és un convertidor especial que realitza la conversió de potència AC/AC. Els convertidors convencionals de potència tipus AC/AC realitzen la conversió en dues etapes: alterna a contínua (AC/DC), primer i contínua a alterna (DC/AC), després. Pràcticament tots els convertidors convencionals de potència tenen una característica comuna: tenen un o diversos condensadors entre etapes de conversió. Aquests condensadors solen tenir un alt pes i volum i són molt sensibles a la temperatura i a la pressió. A més, són cars i envelleixen ràpid.

En el futur, els MCs poden utilitzar-se en sistemes elèctrics de flapado d'avions. Ed. Reproduït amb l'autorització del fotògraf Helconjunto Bierbaum (www.airliners.net)

Per contra, els MC realitzen directament la conversió AC/AC, per la qual cosa no disposen de condensadors a mig camí. Aquesta tecnologia permet superar en gran manera els inconvenients derivats de la utilització de grans condensadors electrolítics. No obstant això, la complexitat dels MC és molt elevada respecte als convertidors convencionals. En aplicacions normals és molt difícil substituir els MC per altres convertidors de potència, però en aplicacions especials en les quals el volum, el pes i la pressió són factors a tenir en compte, és un convertidor molt competitiu.

En l'actualitat, enginyers aeronàutics i investigadors, com els sistemes utilitzats per al flap dels avions, estan treballant seriosament en la substitució dels sistemes hidràulics pesats per sistemes elèctrics. Tenint en compte el petit pes i volum del MC, es pot dir que aquest convertidor pot ser un candidat molt apropiat per a aquestes aplicacions.

Els MCs també poden ser utilitzats en submarins per control remot. Els convertidors de potència s'utilitzen per a accionar màquines elèctriques que mouen aquests submarins i alimentar els sistemes d'il·luminació, entre altres. Aquests submarins estan pensats per a treballar a profunditats de fins a quatre mil metres, la qual cosa els porta a suportar pressions molt elevades. Els convertidors convencionals de potència tenen grans problemes de funcionament sota aquestes condicions.

L'ús d'aquests submarins està molt estès en l'actualitat. Aquests submarins, per exemple, s'utilitzen per a reparacions en pous de petroli, per a instal·lar xarxes transoceàniques de telecomunicacions o per a la recerca oceanogràfica. Per exemple, els submarins d'aquest tipus es van utilitzar per a estudiar el volcà que va sorgir prop de l'illa del Ferro.

Les aplicacions esmentades tenen una característica comuna: la seva fiabilitat és un factor crític. Dit d'una altra manera, en aquestes aplicacions és necessari garantir un funcionament continuat dels sistemes, encara que un dels components dels sistemes utilitzats falli. Per tant, incloent els convertidors de potència, el sistema ha de ser tolerant de fallada.

Plataforma experimental del convertidor matricial tolerant de fallades, desenvolupat en el laboratori del grup de recerca APERT de la UPV. D'esquerra a dreta: RT-Lab eMEGsim digital encarregada del control, prototip de MC, fonts i càrregues programables i oscil·loscopi. Ed. © Edorta Ibarra/UPV

Es considera que un sistema és tolerant a fallades quan aquest sistema és capaç de respondre a fallades, és a dir, manté les funcionalitats mínimes necessàries per a continuar funcionant en cas de fallada. Aquestes funcionalitats mínimes a mantenir es defineixen en funció de l'aplicació. Per exemple, en el cas del Liropus subaqüàtic utilitzat en El Ferro i de diversos submarins de recerca oceanogràfica similars, és important que el sistema tingui la capacitat de tornar a la superfície, encara que els sistemes de potència que mouen el submarí fallen. Cal tenir en compte que aquests submarins són realment cars (el submarí Liropus ha tingut un cost d'1.450.000 euros).

Si es volen utilitzar els avantatges que ofereix el MC en aquestes aplicacions, és necessari millorar la tolerància de fallada d'aquest convertidor. En aquest sentit, en la citada tesi doctoral s'han proposat noves solucions tolerants a fallades per al MC.

Nou convertidor matricial de potència tolerant de fallades

El MC té un número molt elevat d'interruptors. En conseqüència, els interruptors tenen molt altes possibilitats de disposar de fonts de fallada, així com els drivers encarregats de la seva activació i desactivació, utilitzats per a excitar els dispositius semiconductors que formen els interruptors. En aquest sentit, un interruptor queda en circuit obert quan fallen els drivers corresponents (és a dir, aquest interruptor no es pot activar). A més d'empitjorar el nivell de funcionament del sistema, si no s'actua, aquests estats de fallada posen en perill la integritat del sistema en produir-se sobretensiones en el convertidor.

En la tesi doctoral es proposa una nova estratègia tolerant de fallades amb capacitat per a respondre a aquest tipus de faltes. D'una banda, s'ha proposat un nou algorisme de detecció que determina el component fallit. D'altra banda, s'ha proposat un nou algorisme de control que protegeix al convertidor de sobretensiones i millora significativament el nivell de funcionament del sistema.

Resultats experimentals dels corrents sintetitzats a la sortida pel prototip MC: (a) quan el sistema funciona correctament, (b) quan un dels interruptors del MC està en circuit obert (mal funcionament) i (c) quan s'estableix un algorisme de control tolerant de fallada (funcionament pseudo-òptim) (Les imatges que presenten els resultats són les publicades en aquest article científic: Ibarra, E. et al.: (2011). New Fault TolresponMatrix Converter. Electric Power Systems Research. 81 (2): 538-552. ). Ed. © Edorta Ibarra/UPV

S'ha construït una complexa plataforma experimental en el laboratori de recerca per a validar el nou algorisme. Els resultats obtinguts demostren que aquest nou algorisme de control permet un correcte funcionament del sistema per a sortir de la situació de risc (el control de velocitat presenta un petit error en una àmplia zona de velocitats). La solució proposada pot suposar un gran avanç en l'ampliació de l'ús del MC en aplicacions crítiques especials.

Bibliografia

Agraïments

Aquesta recerca va ser finançada per la Universitat del País Basc a través de la beca predoctoral 2007-2011.