Estrategias para la optimización de parámetros de diseño de convertidores de potencia estáticos de bajo coste

Resumen

ESTRATEGIAS PARA LA OPTIMIZACIÓN DE PARÁMETROS DE DISEÑO DE CONVERTIDORES DE POTENCIA ESTÁTICOS DE BAJO COSTE #RESUMEN: Durante los últimos años los grandes avances que han experimentado tanto la electrónica de potencia como la electrónica de control han propiciado la aparición de nuevos dispositivos orientados al control de las máquinas eléctricas. Tradicionalmente los motores más empleados en aquellas aplicaciones, en las que era preciso realizar una variación de velocidad más o menos precisa, han sido los de corriente continua. Este tipo de dispositivos cuenta con la ventaja de trabajar a par constante desde su velocidad mínima hasta su velocidad nominal permitiendo pasar fácilmente a trabajar a potencia constante cuando se incrementa su velocidad por encima de la nominal. La necesidad de sustituir este tipo de motores por los de jaula de ardilla, mucho más económicos tanto desde el punto de vista constructivo como en su mantenimiento posterior, ha contribuido a buscar nuevas formas de alimentación que permitan emular el comportamiento electromecánico de los motores CC. Esto únicamente es posible mediante la conjugación del diseño de nuevos motores capaces de trabajar sin problemas con fuentes de alimentación de alta frecuencia y el desarrollo de fuentes.de alimentación conmutadas de bajo coste. Los principales problemas de este tipo de fuentes de alimentación están relacionados con el coste y el tiempo que es preciso dedicar a cumplir la normativa electromagnética vigente y la búsqueda de una metodología de diseño adecuada para reducir el coste final del convertidor. Dentro de esta línea de investigación se enmarca la presente tesis doctoral cuyo principal objetivo es la obtención de una metodología de trabajo para el diseño, modelado y fabricación, de convertidores tensión-frecuencia de bajo coste para el control de motores de inducción. Este objetivo principal se ha dividido en cinco objetivos parciales el primero de los cuales consiste en la realización de un estudio bibliográfico del estado del arte en el ámbito de los dispositivos de control de velocidad de máquinas electromagnéticas de inducción. una vez finalizada dicha síntesis, se estudian distintas alternativas para la generación de las señales de control necesarias para controlar las etapas de potencia de los convertidores tensión frecuencia estáticos. Posteriormente se diseña un prototipo de convertidor estático para el control de velocidad de máquinas electromagnéticas que cumpla los criterios de sencillez, robustez y bajo coste. Finalmente se desarrolla una metodología de ensayo de bajo coste para la caracterización del grado de emisión electromagnética del convertidor desarrollado, con el fin de establecer criterios válidos para el correcto ajuste de sus parámetros de funcionamiento desde el punto de vista de la emisión electromagnética. La exposición de la presente tesis finaliza con el capítulo dedicado a las conclusiones de la investigación realizada y dos apéndices que proporcionan información adicional a la contenida en la memoria. During last years the great advances that has experienced power and control electronics have produced the appearance of new devices oriented to control electrical machines. Traditionally DC motors have been used in those applications in which it was necessary to make a speed variation more or less precise, in order to reduce system's final cost, induction motors have been introduced in modern applications. This is only possible by means of the design of new motors able to work without problems with high frequency power supplies. The main problem of this type of power supplies are related to their electromagnetic emission. It is very important to have a good design methodology in order to reduce the final cost of the converter. The main objective of this doctoral thesis project is focused to describe the main problems that appear in the design of a low cost frequency converter. These problems can be solved using two techniques. Firstly using an adequate hardware design and in the other hand searching for a methodology oriented to reduce emi filter's size. This methodology has to take in account some parameters like: carrier waveform typology, carrier waveform frequency, modulator waveform frequency, dead time, load size, etc. There is a specific international normative about the electromagnetic compatibility that demands to place EMI filters at the entrance of frequency converters. An optimisation of this filter implies automatically an important cost reduction. Related to the first objective, the implementation of three low cost pwm generator modules is described. Also the intermediate stage between the control and power modules is designed using bootstrap's technique. Finally, a low cost qualitative methodology has been developed in order to reduce the electromagnetic emission of the converter. The present research work finalizes with the chapter dedicated to the conclusions and two appendices that provide additional information.