Tratando de controlar a enerxía eléctrica

É probable que as palabras electrónica de potencia e convertidores de potencia disuadan pouco. Con todo, hai que destacar a importancia desta tecnoloxía nas diferentes aplicacións que nos rodean. Exemplos destas aplicacións son os sistemas de xeración baseados en enerxías renovables (muíños de vento, sistemas fotovoltaicos, etc.). ), máquinas propulsoras, trens e vehículos eléctricos e híbridos. En ocasións é posible o fallo dos compoñentes do convertidor de potencia pondo en perigo a integridade dos sistemas. Neste sentido, o grupo de investigación da Escola Superior de Enxeñaría da UPV-EHU en electrónica aplicada APERT investigou o funcionamento de convertidores matriciales de potencia paira abordar esta problemática. O resultado deste traballo de investigación foi a tese doutoral do autor.

Os convertidores de potencia constrúense mediante a interconexión de dispositivos electrónicos que actúan como interruptores, construídos mediante a combinación de dispositivos semiconductores, co fin de transformar a enerxía eléctrica de forma controlada. Paira cumprir con este obxectivo é necesario controlar adecuadamente os períodos de aceso e apagado dos interruptores. Isto permite controlar a posición, velocidade, momento electromagnético, etc. das máquinas eléctricas que frecuentemente están conectadas ás saídas dos convertidores de potencia.

Nos convertidores de potencia podemos diferenciar diferentes topologías en función da configuración dos interruptores. Os rectificadores e os investidores son, na actualidade, una das topologías máis maduras e coñecidas. Con todo, na tese estudouse en profundidade o convertidor de potencia coñecido como convertidor matricial (MC, Matrix Converter). Este convertidor ten unhas características especiais, e a medida que se desenvolve esta tecnoloxía, o seu uso pode estenderse considerablemente. As características que se presentan a continuación permiten utilizar o MC en aplicacións moi especiais.

Convertidor matricial de potencia en aplicacións críticas especiais

A conversión de potencia paira alterna (AC/AC) é necesaria en varias aplicacións industriais. Por exemplo, esta conversión realízase paira adaptar á rede a enerxía eléctrica xerada no xerador dun muíño de vento. Neste sentido, o MC é un convertidor especial que realiza a conversión de potencia AC/AC. Os convertidores convencionais de potencia tipo AC/AC realizan a conversión en dúas etapas: alterna a continua (AC/DC), primeiro e continua a alterna (DC/AC), despois. Practicamente todos os convertidores convencionais de potencia teñen una característica común: teñen un ou varios condensadores entre etapas de conversión. Estes condensadores adoitan ter un alto peso e volume e son moi sensibles á temperatura e á presión. Ademais, son caros e envellecen rápido.

No futuro, os MCs poden utilizarse en sistemas eléctricos de flapado de avións. Ed. Reproducido coa autorización do fotógrafo Helconjunto Bierbaum (www.airliners.net)

Pola contra, os MC realizan directamente a conversión AC/AC, polo que non dispoñen de condensadores a medio camiño. Esta tecnoloxía permite superar en gran medida os inconvenientes derivados da utilización de grandes condensadores electrolíticos. Con todo, a complexidade dos MC é moi elevada respecto dos convertidores convencionais. En aplicacións normais é moi difícil substituír os MC por outros convertidores de potencia, pero en aplicacións especiais nas que o volume, o peso e a presión son factores a ter en conta, é un convertidor moi competitivo.

Na actualidade, enxeñeiros aeronáuticos e investigadores, como os sistemas utilizados paira o flap dos avións, están a traballar seriamente na substitución dos sistemas hidráulicos pesados por sistemas eléctricos. Tendo en conta o pequeno peso e volume do MC, pódese dicir que este convertidor pode ser un candidato moi apropiado paira estas aplicacións.

Os MCs tamén poden ser utilizados en submarinos por control remoto. Os convertidores de potencia utilízanse paira accionar máquinas eléctricas que moven estes submarinos e alimentar os sistemas de iluminación, entre outros. Estes submarinos están pensados paira traballar a profundidades de até catro mil metros, o que lles leva a soportar presións moi elevadas. Os convertidores convencionais de potencia teñen grandes problemas de funcionamento baixo estas condicións.

O uso destes submarinos está moi estendido na actualidade. Estes submarinos, por exemplo, utilízanse paira reparacións en pozos de petróleo, paira instalar redes transoceánicas de telecomunicacións ou paira a investigación oceanográfica. Por exemplo, os submarinos deste tipo utilizáronse paira estudar o volcán que xurdiu preto da illa do Hierro.

As aplicacións mencionadas teñen una característica común: a súa fiabilidade é un factor crítico. Dito doutro xeito, nestas aplicacións é necesario garantir un funcionamento continuado dos sistemas, aínda que uno dos compoñentes dos sistemas utilizados falle. Por tanto, incluíndo os convertidores de potencia, o sistema debe ser tolerante de fallo.

Plataforma experimental do convertidor matricial tolerante de fallos, desenvolvido no laboratorio do grupo de investigación APERT da UPV. De esquerda a dereita: RT-Lab eMEGsim dixital encargada do control, prototipo de MC, fontes e cargas programables e osciloscopio. Ed. © Edorta Ibarra/UPV

Considérase que un sistema é tolerante a fallos cando devandito sistema é capaz de responder a fallos, é dicir, mantén as funcionalidades mínimas necesarias paira seguir funcionando en caso de fallo. Estas funcionalidades mínimas a manter defínense en función da aplicación. Por exemplo, no caso do Liropus subacuático utilizado no Hierro e de varios submarinos de investigación oceanográfica similares, é importante que o sistema teña a capacidade de regresar á superficie, aínda que os sistemas de potencia que moven o submarino fallan. Hai que ter en conta que estes submarinos son realmente caros (o submarino Liropus tivo un custo de 1.450.000 euros).

Se se queren utilizar as vantaxes que ofrece o MC nestas aplicacións, é necesario mellorar a tolerancia de fallo de leste conversor. Neste sentido, na citada tese doutoral propuxéronse novas solucións tolerantes a fallos paira o MC.

Novo convertidor matricial de potencia tolerante de fallos

O MC ten un número moi elevado de interruptores. En consecuencia, os interruptores teñen moi altas posibilidades de dispor de fontes de fallo, así como os drivers encargados da súa activación e desactivación, utilizados paira excitar os dispositivos semiconductores que forman os interruptores. Neste sentido, un interruptor queda en circuíto aberto cando fallan os drivers correspondentes (é dicir, este interruptor non se pode activar). Ademais de empeorar o nivel de funcionamento do sistema, se non se actúa, estes estados de fallo pon en perigo a integridade do sistema ao producirse sobretensiones no convertidor.

Na tese doutoral proponse una nova estratexia tolerante de fallos con capacidade paira responder a este tipo de faltas. Por unha banda, propúxose un novo algoritmo de detección que determina o compoñente errado. Doutra banda, propúxose un novo algoritmo de control que protexe ao conversor de sobretensiones e mellora significativamente o nivel de funcionamento do sistema.

Resultados experimentais das correntes sintetizadas á saída polo prototipo MC: (a) cando o sistema funciona correctamente, (b) cando uno dos interruptores do MC está en circuíto aberto (mal funcionamento) e (c) cando se establece un algoritmo de control tolerante de fallo (funcionamento pseudo-óptimo) (As imaxes que presentan os resultados son as publicadas neste artigo científico: Ibarra, E. et ao.: (2011). New Fault TolresponMatrix Converter. Electric Power Systems Research. 81 (2): 538-552. ). Ed. © Edorta Ibarra/UPV

Construíuse una complexa plataforma experimental no laboratorio de investigación paira validar o novo algoritmo. Os resultados obtidos demostran que este novo algoritmo de control permite un correcto funcionamento do sistema paira saír da situación de risco (o control de velocidade presenta un pequeno erro nunha ampla zona de velocidades). A solución proposta pode supor un gran avance na ampliación do uso do MC en aplicacións críticas especiais.

Bibliografía

Agradecementos

Esta investigación foi financiada pola Universidade do País Vasco a través da bolsa predoctoral 2007-2011.