Análisis de los modos de conducción de un convertidor Trans-CZSI. Caracterización, modelización y estudio comparativo de la topología bidireccional. Diseño y validación experimental

Resumen

Actualmente son especialmente relevantes las aplicaciones que requieren una conversión DC/AC: alimentación de máquinas eléctricas a partir de almacenadores de energía (en vehículos eléctricos), envío a la red de la energía previamente almacenada, etc. A día de hoy, el convertidor DC/AC más empleado en la industria es el compuesto por dos etapas: un elevador o reductor DC/DC que regule el nivel variable de tensión de entrada a la etapa inversora DC/AC, conectada a continuación a través de un enlace de continua formado por voluminosos componentes reactivos almacenadores de energía. Las actuales tendencias y requerimientos deseables en los convertidores DC/AC demandados por la industria han provocado la aparición de nuevas topologías que tratan de competir con las dominantes topologías. Una de estas nuevas topologías es el inversor de fuente en impedancia Z, (Z-Source Inverter, ZSI). El ZSI implementa una conversión directa DC/AC con niveles de tensión y corriente de entrada y salida variables, por lo que resulta en una topología compacta. Con sólo implementar un interruptor controlado más, se le añade la función bidireccional, una característica muy importante a la hora de trabajar con almacenadores de energía. Sin embargo, todavía presenta ciertas limitaciones, como sus especiales demandas en la conmutación que ponen en riesgo la vida de los semiconductores, su alta dependencia entre la ganancia obtenible y el THD introducido en la onda de salida, que hacen de la topología una opción todavía poco madura para la industria. No obstante, las potenciales ventajas de la topología le confieren gran interés científico y tecnológico de cara a futuro. El objetivo principal del presente trabajo de investigación ha consistido en profundizar en el conocimiento de los ZSI, en concreto, de la topología desarrollada a partir de la misma, el Trans-qZSI, como alternativa a las topologías tradicionales, a través de un estudio metodológico del mismo que desemboque en la implementación de un prototipo que sirva de banco de pruebas para el análisis y optimización de su modo de operación y conducción. Desde la primera vez que se dio a conocer el concepto del inversor ZSI, muchas topologías variantes han sido desarrolladas, y se observa que el interés científico se va dirigiendo en dos frentes, en la topología tradicional ZSI, y en los ZSI de inductores magnéticamente acoplados, que es desde donde se ha enfocado el presente trabajo. Dentro de los ZSI de inductores magnéticamente acoplados, se observa que la información se presenta excesivamente particularizada al análisis del circuito en cada caso, pero no entra a profundidad en sus modos de conducción ni en su análisis de estabilidad. Tampoco se han encontrado apenas referencias sobre las pautas a seguir o condiciones a tener en cuenta en cuanto al dimensionamiento del convertidor, ni en cuanto a la bidireccionalidad y los retos que presenta el desarrollo del convertidor en este sentido. Por ello, se ha seguido una metodología de estudio compuesta por las siguientes etapas: estudio del funcionamiento básico, estado actual y carencias de la topología Z de inductores magnéticamente acoplados: Desarrollo teórico, modelización y simulación del convertidor en sus distintos modos de conducción, así como en su función bidireccional. Diseño, construcción y validación de un prototipo de 2.5kW.