Potentzia-bihurgailu matrizialen diseinu-prozesurako eta hutsegite-tolerantziarako soluzio berriak

Abstract

[ES]El convertidor matricial (MC) es un convertidor de potencia que destaca por sus características: realiza una conversión AC/AC directa en ausencia de grandes elementos reactivos, es eficiente, ligero y compacto. Sin embargo, el uso de dicho convertidor no está todavía muy extendido, principalmente por la complejidad de su arquitectura y sus algoritmos de control, y por su baja robustez. En esta tesis se presentarán, en primer lugar, los conceptos básicos del MC. Posteriormente, se estudiará la modulación y el control de dicho convertidor en profundidad. Una vez analizado el estado del arte del MC, se propondrán nuevas soluciones que mejoren el proceso de diseño del convertidor. Por una parte, se debe tener en cuenta que es muy complejo simular modelos que contienen MCs, y que el tiempo necesario para realizar dichas simulaciones resulta excesivo. En ese sentido, se propondrá y verificará una nueva técnica de simulación para superar los problemas antes mencionados. Además, se logrará simular un MC en tiempo real gracias a la técnica propuesta. Finalmente, se presentará una plataforma de prototipado rápido de control. Finalmente, se tendrá en cuenta la baja robustez del MC. En ese sentido, se estudiará el comportamiento de dicho convertidor ante faltas en sus interruptores, se presentará una técnica de detección de interruptores en circuito abierto y se propondrá una nueva estrategia de control tolerante a fallos que permita el funcionamiento continuado del sistema en situaciones de falta.

[EU]Gaur egun, potentzia-bihurgailuak hainbat aplikaziotan aurki ditzakegu, hala nola haize-errotetan, makina industrialetan, ibilgailu elektriko eta hibridoetan, itsasontzi eta urpekoetan, etab. Potentzia-bihurgailuak energia-bihurketarako sistemetan erabiltzen dira, eta horien helburua energia elektrikoa era kontrolatuan bihurtzea da. Potentzia-bihurgailuen topologien artean, bere ezaugarriak direla medio, bihurgailu matriziala (MC, Matrix Converter) nabarmendu daiteke. AC/AC bihurketa zuzena egiten du MCak, eta ez du osagai erreaktibo nabarmenik. Horretaz gain, lau koadranteetan egin dezake lan bihurgailu horrek, eta distortsio harmoniko baxua duten korronte eta tentsio sinusoidalak lortzen dira bihurgailuaren sarreran eta irteeran. Gainera, MCaren sarreran potentzia-faktore unitarioa lor daiteke, bihurgailuari konektatuta dagoen karga edozein dela ere. Azkenik, oso bihurgailu eraginkorra da. Ezaugarri horiek direla-eta, hainbat aplikaziotan erabiltzeko aproposa izan daiteke MCa. Hala ere, bihurgailu horren erabilera ez dago oraindik oso hedatua, batez ere etengailu bidirekzional naturalik ez dagoelako, MCaren arkitektura eta kontrola konplexuak direlako, eta bihurgailuak mardultasun baxua duelako. Tesi honetan, MCaren oinarrizko kontzeptuak aurkeztuko dira, lehenik eta behin. Ondoren, MCa modulatzeko dagoen aukera zabala izango da kontuan, eta aukera horien erakusgarri diren hiru modulazio-teknika azalduko dira: Alesina eta Venturiniren teknika, modulazio-teknika bektoriala (SVM, Space Vector Modulation) eta modulazio-teknika eskalar orokortua (GSPWM, Generalized Scalar Pulse Width Modulation). Bestalde, bihurgailuaren sarreran perturbazioak egon daitezkeela izango da kontuan ere. Zentzu horretan, perturbazio horien eragin kaltegarriak konpentsatzeko baliagarriak diren teknika nabarmenenen artearen egoera azalduko da tesian. Perturbazio horiek konpentsatzen dituzten tekniken sinkronizazio-beharrizanak zeintzuk diren aztertuko da. MCaren artearen egoera aztertu ondoren, bihurgailu horren diseinu-prozesua hobetzeko baliagarriak diren soluzio berriak proposatuko dira. Alde batetik, kontuan izan behar da MCak dituzten modeloak simulatzea konplexua dela, eta simulazioak egiteko beharrezkoa den denbora gehiegizkoa izaten dela normalean. Horren ondorioz, diseinu-prozesuan egin daitekeen simulazio-kopurua oso mugatua dago. Alde horretatik, arazo hori gainditzeko baliagarria den SSMA (Switching State Matrix Averaging Method) simulazio-teknika berria proposatu eta balioztatuko da tesian. Horretaz gain, SSMA teknikari esker, denbora errealean simulatuko da MCa PC-talde batean. Horrela, egoera iragankor oso luzeak simulatu ahal izango dira arrazoizko denbora-tarte batean. Gainera, MCaren diseinu-prozesua azkartzeko eta kontrol-algoritmoak arazteko baliagarria den prototipatze azkarreko kontrolerako plataforma (RCP, Rapid Control Prototyping) aurkeztuko da ere. Azkenik, MCaren mardultasun baxuaren arazoari aurre egingo zaio. Bihurgailu horren babeserako erabiltzen diren estrategiak ez dira bihurgailua % 100ean babesteko gai. Beraz, egoera batzuetan posible da bihurgailuaren osagaietako batek huts egitea. Hori gertatuz gero, beharrezkoa da estrategia hutsegitetoleratzaileak erabiltzea, sistemaren funtzionamendu jarraitua bermatu beharra badago. Horren harian, MCarentzako estrategia hutsegite-toleratzaileen artearen egoera aurkeztuko da, eta etengailuen zirkuitu irekiko hutsegiteak gertatzen direnean bihurgailuak duen portaera aztertuko da. Ondoren, hutsegite horiek identifikatzeko baliagarria den estrategia bat aurkeztuko da, eta zirkuitu irekiko hutsegite-egoeran MCaren hutsegite-tolerantzia hobetzeko baliagarriak diren modulazio-algoritmo hutsegite-toleratzaile berriak proposatu eta balioztatuko dira, bai simulazioaren bidez, eta baita esperimentalki ere.