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Desde la Universidad de Alcalá se han desarrollado diferentes proyectos de investigación en áreas punteras de electrónica de potencia gracias al uso de soluciones tecnológicas muy avanzadas suministrados por Álava Ingenieros.

Algunas de las investigaciones más recientes han empleado simulador en tiempo real, OPAL-RT, para implementar tanto el control como el modelo conmutado de convertidores de potencia muy complejos conectados a red, como por ejemplo el CHB-single DC [1-2] funcionando como STATCOM.

La topología presentada anteriormente tiene bastantes ventajas frente al CHB clásico, tiene 3 veces menos condensadores, el control de la tensión de los condensadores es más sencillo y además no se tiene oscilación de baja frecuencia en el DC link. Pero no es posible trabajar con esta topología empleando técnicas de modulación PWM tradicionales ya que se generan cortocircuitos. Al tener 24 semiconductores se tienen 16 millones de estados posibles y muchos de ellos generan estados de cortocircuito, por lo que es necesario detectar los estados prohibidos y emplear una técnica de control y modulación basada en modelos predictivos complejos, que deben ejecutarse a una frecuencia relativamente alta en comparación con su complejidad.

Usando la plataforma OPAL-RT 5700 se ha podido implementar tanto el modelo del convertidor de potencia conmutado como la red a la que se conecta con una frecuencia de 1 MHz. Mientras que en el mismo OPAL-RT se ejecuta un control Predictivo a una frecuencia de 10 KHz.

Gracias a las salidas Analógicas que ofrece el OPAL-RT se pueden emplear las señales internas de los modelos funcionando en tiempo real como señales de referencia de amplificadores de potencia y realizar complejos sistemas de pruebas PHIL.

El OPAL-RT también puede ser empleado unicamente como un controlador para realizar Rapid Control Prototiping (RCP) y así acelerar el time to market de los convertidores de potencia. Usnadolo para controlar un Solid State Transformer (SST) basado en una conexión ISOP de DABs empleando dispositivos de SiC.

El convertidor presentado anteriormente tiene que soportar las variaciones de la tensión de una catenaria ferroviaria, lo que hace que se tengan que emplear distintas técnicas de modulación para poder trabajar en todo el rango de tensiones de entrada con un rendimiento óptimo.

El uso del OPAL-RT facilita el proceso de programación de las diferentes modulaciones debido a que la programación del mismo se realiza mediante Simulink, lo cual permite cargar directamente las moduladoras y el control desde las simulaciones iniciales a la FPGA del OPAL-RT evitando tener que programar en complejos lenguajes como VHDL.

En los últimos años existe una tendencia a dejar de utilizar semiconductores de silicio tradicional y se está pasando al uso de semiconductores de Carburo de Silicio (SiC), los cuales tienen menor resistencia de encendido y permiten conmutar a velocidades mucho más rápidas que los tradicionales de Si. Para realizar el paso de una tecnología a otra es necesario tener especial precaución a la hora de diseñar la interconexión entre los módulos de los semiconductores, ya que debido a las inductancias parásitas del sistema en la conmutación se pueden producir sobretensiones que lleguen a dañar los semiconductores.

Para comprobar de forma experimental si el diseño es correcto se emplean los denominados “tests de doble pulso”, los cuales se pueden realizar gracias al uso de equipos especializados como sondas aisladas de tensión y corriente con ancho de banda superiores a los MHz y a osciloscopios con tasas de adquisición de 2 GS/s (Yokogawa DL7480)

[1] R. S. Camargo, D. S. Mayor, A. M. Miguel, E. J. Bueno, and L. F. Encarnação, “A novel cascaded multilevel converter topology based on three-phase cells—CHB-SDC,” Energies, vol. 13, no. 18, 2020.

[2] R. S. Camargo, D. S. Mayor, L. De Mingo Fernandes, A. M. Miguel, E. J. B. Pena, and L. F. Encarnacao, “A Novel Cascaded Multilevel Converter Topology Based on Three-Phase Cells with Model Predictive Control,” IEEE Int. Symp. Ind. Electron., vol. 2020-June, pp. 1161–1166, 2020.

Autor:

Daniel Santamargarita y Emilio Bueno

Universidad de Alcalá