Tratando de controlar la energía eléctrica
Es probable que las palabras electrónica de potencia y convertidores de potencia disuadan poco. Sin embargo, hay que destacar la importancia de esta tecnología en las diferentes aplicaciones que nos rodean. Ejemplos de estas aplicaciones son los sistemas de generación basados en energías renovables (molinos de viento, sistemas fotovoltaicos, etc.). ), máquinas propulsoras, trenes y vehículos eléctricos e híbridos. En ocasiones es posible el fallo de los componentes del convertidor de potencia poniendo en peligro la integridad de los sistemas. En este sentido, el grupo de investigación de la Escuela Superior de Ingeniería de la UPV-EHU en electrónica aplicada APERT ha investigado el funcionamiento de convertidores matriciales de potencia para abordar esta problemática. El resultado de este trabajo de investigación ha sido la tesis doctoral del autor.
Los convertidores de potencia se construyen mediante la interconexión de dispositivos electrónicos que actúan como interruptores, construidos mediante la combinación de dispositivos semiconductores, con el fin de transformar la energía eléctrica de forma controlada. Para cumplir con este objetivo es necesario controlar adecuadamente los periodos de encendido y apagado de los interruptores. Esto permite controlar la posición, velocidad, momento electromagnético, etc. de las máquinas eléctricas que frecuentemente están conectadas a las salidas de los convertidores de potencia.
En los convertidores de potencia podemos diferenciar diferentes topologías en función de la configuración de los interruptores. Los rectificadores y los inversores son, en la actualidad, una de las topologías más maduras y conocidas. Sin embargo, en la tesis se ha estudiado en profundidad el convertidor de potencia conocido como convertidor matricial (MC, Matrix Converter). Este convertidor tiene unas características especiales, y a medida que se desarrolla esta tecnología, su uso puede extenderse considerablemente. Las características que se presentan a continuación permiten utilizar el MC en aplicaciones muy especiales.
Convertidor matricial de potencia en aplicaciones críticas especiales
La conversión de potencia para alterna (AC/AC) es necesaria en varias aplicaciones industriales. Por ejemplo, esta conversión se realiza para adaptar a la red la energía eléctrica generada en el generador de un molino de viento. En este sentido, el MC es un convertidor especial que realiza la conversión de potencia AC/AC. Los convertidores convencionales de potencia tipo AC/AC realizan la conversión en dos etapas: alterna a continua (AC/DC), primero y continua a alterna (DC/AC), después. Prácticamente todos los convertidores convencionales de potencia tienen una característica común: tienen uno o varios condensadores entre etapas de conversión. Estos condensadores suelen tener un alto peso y volumen y son muy sensibles a la temperatura y a la presión. Además, son caros y envejecen rápido.
Por el contrario, los MC realizan directamente la conversión AC/AC, por lo que no disponen de condensadores a medio camino. Esta tecnología permite superar en gran medida los inconvenientes derivados de la utilización de grandes condensadores electrolíticos. Sin embargo, la complejidad de los MC es muy elevada respecto a los convertidores convencionales. En aplicaciones normales es muy difícil sustituir los MC por otros convertidores de potencia, pero en aplicaciones especiales en las que el volumen, el peso y la presión son factores a tener en cuenta, es un convertidor muy competitivo.
En la actualidad, ingenieros aeronáuticos e investigadores, como los sistemas utilizados para el flap de los aviones, están trabajando seriamente en la sustitución de los sistemas hidráulicos pesados por sistemas eléctricos. Teniendo en cuenta el pequeño peso y volumen del MC, se puede decir que este convertidor puede ser un candidato muy apropiado para estas aplicaciones.
Los MCs también pueden ser utilizados en submarinos por control remoto. Los convertidores de potencia se utilizan para accionar máquinas eléctricas que mueven estos submarinos y alimentar los sistemas de iluminación, entre otros. Estos submarinos están pensados para trabajar a profundidades de hasta cuatro mil metros, lo que les lleva a soportar presiones muy elevadas. Los convertidores convencionales de potencia tienen grandes problemas de funcionamiento bajo estas condiciones.
El uso de estos submarinos está muy extendido en la actualidad. Estos submarinos, por ejemplo, se utilizan para reparaciones en pozos de petróleo, para instalar redes transoceánicas de telecomunicaciones o para la investigación oceanográfica. Por ejemplo, los submarinos de este tipo se utilizaron para estudiar el volcán que surgió cerca de la isla de El Hierro.
Las aplicaciones mencionadas tienen una característica común: su fiabilidad es un factor crítico. Dicho de otro modo, en estas aplicaciones es necesario garantizar un funcionamiento continuado de los sistemas, aunque uno de los componentes de los sistemas utilizados falle. Por tanto, incluyendo los convertidores de potencia, el sistema debe ser tolerante de fallo.
Se considera que un sistema es tolerante a fallos cuando dicho sistema es capaz de responder a fallos, es decir, mantiene las funcionalidades mínimas necesarias para seguir funcionando en caso de fallo. Estas funcionalidades mínimas a mantener se definen en función de la aplicación. Por ejemplo, en el caso del Liropus subacuático utilizado en El Hierro y de varios submarinos de investigación oceanográfica similares, es importante que el sistema tenga la capacidad de regresar a la superficie, aunque los sistemas de potencia que mueven el submarino fallan. Hay que tener en cuenta que estos submarinos son realmente caros (el submarino Liropus ha tenido un coste de 1.450.000 euros).
Si se quieren utilizar las ventajas que ofrece el MC en estas aplicaciones, es necesario mejorar la tolerancia de fallo de este conversor. En este sentido, en la citada tesis doctoral se han propuesto nuevas soluciones tolerantes a fallos para el MC.
Nuevo convertidor matricial de potencia tolerante de fallos
El MC tiene un número muy elevado de interruptores. En consecuencia, los interruptores tienen muy altas posibilidades de disponer de fuentes de fallo, así como los drivers encargados de su activación y desactivación, utilizados para excitar los dispositivos semiconductores que forman los interruptores. En este sentido, un interruptor queda en circuito abierto cuando fallan los drivers correspondientes (es decir, este interruptor no se puede activar). Además de empeorar el nivel de funcionamiento del sistema, si no se actúa, estos estados de fallo ponen en peligro la integridad del sistema al producirse sobretensiones en el convertidor.
En la tesis doctoral se propone una nueva estrategia tolerante de fallos con capacidad para responder a este tipo de faltas. Por un lado, se ha propuesto un nuevo algoritmo de detección que determina el componente fallido. Por otro lado, se ha propuesto un nuevo algoritmo de control que protege al conversor de sobretensiones y mejora significativamente el nivel de funcionamiento del sistema.
Se ha construido una compleja plataforma experimental en el laboratorio de investigación para validar el nuevo algoritmo. Los resultados obtenidos demuestran que este nuevo algoritmo de control permite un correcto funcionamiento del sistema para salir de la situación de riesgo (el control de velocidad presenta un pequeño error en una amplia zona de velocidades). La solución propuesta puede suponer un gran avance en la ampliación del uso del MC en aplicaciones críticas especiales.
Bibliografía
Agradecimientos
Esta investigación fue financiada por la Universidad del País Vasco a través de la beca predoctoral 2007-2011.
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ISSN-2603-6614 Elhuyar