Convertidores de potencia ac-ac directosmodelización, análisis y simulación de la topología matricial. Diseño y validación experimental de un convertidor matricial de media potencia

Resumen

Un convertidor de potencia es el circuito electrónico encargado de regular y transformar la energía eléctrica, generalmente de forma controlada. El tipo de convertidor a diseñar depende de las características de las señales de entrada y de la carga que se quiera alimentar. Así, la energía eléctrica puede ser transformada en sus diversas formas: AC/AC, AC/DC, DC/AC, DC/DC. La transformación de la energía también puede llevarse a cabo en sucesivas etapas AC/DC/AC, DC/AC/DC. Actualmente, son especialmente relevantes las aplicaciones que requieren una conversión AC/AC: alimentación de máquinas eléctricas a partir de la red (ferrocarril, elevadores¿), envío a la red de la energía generada por aerogeneradores, etc. A día de hoy, el convertidor AC/AC más empleado en la industria es, sin duda, el compuesto por dos etapas: una rectificadora AC/DC y otra 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 AC/AC demandados por la industria han provocado la aparición de nuevas topologías que tratan de competir con la dominante topología Rectificadora-Inversora. Una de estas nuevas topologías es la implementada por el Convertidor Matricial. El Convertidor Matricial implementa una conversión directa AC/AC que no requiere de voluminosos y pesados componentes reactivos, por lo que resulta en una topología compacta y modular. Su enlace directo entre la entrada y la salida lo hace inherentemente bidireccional y permite generar formas de onda sinusoidales de buena calidad tanto a la entrada como a la salida. Sin embargo, todavía presenta ciertas desventajas, como su limitada ganancia en tensión, su menor robustez o su mayor complejidad de control, que hacen de esta topología una opción todavía poco madura en el desarrollo de convertidores de propósito general para la industria. Sin embargo, las potenciales ventajas de la topología le confieren gran interés científico de cara a futuro. El objetivo principal del presente trabajo de investigación ha consistido en profundizar en el conocimiento de la topología matricial 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 de su modo de operación. Dada la complejidad y la diversidad de frentes que deben ser tratados en el diseño de este tipo de convertidores, se observa que la información acerca de esta topología se presenta ciertamente dispersa o excesivamente particularizada, y que pocas son las referencias que abarcan la topología matricial desde un punto de vista global. También se ha constatado en la bibliografía un limitado análisis de los modelos de simulación que representen el comportamiento del Convertidor Matricial. Por ello, se ha seguido una metodología de estudio compuesta por las siguientes etapas: 1. Estudio del funcionamiento básico, estado actual y carencias de la topología matricial. 2. Desarrollo teórico, modelización y simulación del convertidor. 3. Implementación y análisis de los algoritmos de modulación y conmutación. 4. Diseño, construcción y validación de un prototipo de 7.5kW. 5. Validación experimental de los modelos de simulación implementados. Una vez validado el prototipo, se propone y comprueba el mejor funcionamiento del algoritmo de la conmutación de la corriente en cuatro pasos propuesto por el autor del presente trabajo de tesis. Como aplicación práctica del Convertidor Matricial, se propone y se lleva a cabo un análisis sobre la viabilidad de alimentar un sistema de cojinetes magnéticos tripolar, emplazado en un sistema de almacenamiento cinético, mediante este tipo de convertidor. Para ello se simula una comparativa de su funcionamiento mediante un convertidor Rectificador-Inversor tradicional y mediante un Convertidor Matricial.