Mejora de las prestaciones y protecciones del convertidor de potencia ac/ac directo con topología matricial

Resumen

Hoy en día, la electrónica de potencia juega un papel fundamental en aquellas aplicaciones en las que se requiere una conversión de energía. Gracias a los convertidores de potencia, la forma en la que se presenta la energía eléctrica puede ser controlada. Tiene especial importancia la conversión AC/AC, ya que es empleada habitualmente en aplicaciones de tracción y de generación. Son múltiples los convertidores que realizan dicha transformación (cicloconvertidores, convertidor back-to-back, convertidor multinivel, etc.), dentro de los cuales destaca el convertidor matricial (CM). El CM realiza una conversión AC/AC directa, no necesita grandes elementos reactivos y se caracteriza por ser modular y de reducido tamaño. Además, permite un flujo de potencia bidireccional, siendo las señales sintetizadas por el convertidor de buena calidad. Sin embargo, el CM no es una alternativa lo suficientemente madura, sobre todo, debido a que no existen semiconductores bidireccionales naturales y a que no es tan robusto como otros convertidores. A estos inconvenientes hay que añadir la complejidad de su control. En esta tesis, se han tratado inicialmente los fundamentos del CM, así como las técnicas que definen su conmutación y modulación. El siguiente paso ha sido el analizar una variante de la modulación vectorial SVM, la modulación de doble cara DS SVM. Ésta mejora el THD de las señales sintetizadas por el CM pero, a su vez, presenta una carga computacional extremadamente alta. Por otra parte, se ha presentado un método que simplifica la síntesis de dicho algoritmo de modulación. Asimismo, se ha determinado la interacción del DS SVM y la conmutación semisuave en los elementos que intervienen en la excitación de los semiconductores de potencia del CM. Para dar respuesta a las exigencias del convertidor, y teniendo en cuenta que el CM ofrece mejores prestaciones cuando opera a altas frecuencias, se ha desarrollado un System on Chip (SoC) innovador. Éste aglutina, en un único circuito integrado, todas las funciones de control y modulación, así como ciertos bloques de protección del convertidor. Todos estos cores (30 en total) han sido implementados en hardware y embebidos en una única FPGA. Gracias a la implementación realizada, se han alcanzando velocidades de ejecución que superan, con creces, las mayores exigencias que requiere el DS SVM. Esto demuestra que las FPGAs pueden ser una alternativa a los DSPs tradicionales. Por otra parte, se han determinado de forma exhaustiva los distintos criterios de diseño que han dado lugar a la construcción de un convertidor matricial de 7.5 kW. Además, la arquitectura de dicho convertidor ha sido mejorada a través de un circuito de arranque y una variación del circuito de fijación. Gracias a ello, se mitiga uno de los mayores problemas del CM, su ciclo de encendido. Asimismo, se ha presentado una configuración de los circuitos de excitación que optimiza la velocidad de conmutación de los IGBTs del CM. Por último, se ha propuesto una configuración de un CM tolerante a fallos que asegura un pleno funcionamiento incluso cuando el convertidor queda parcialmente deteriorado.