Resumen de Contribución al desarrollo de convertidores multinivel de alta tensión tolerantes a fallos
Los convertidores de potencia de estado sólido se utilizan como generadores eléctricos polifásicos de tensión o corriente para múltiples aplicaciones, como por ejemplo el control de motores, generación eléctrica, mejora de calidad de red, etc. el uso de este tipo de convertidores supone una ventaja técnica muy importante, pues permite el control preciso de las máquinas eléctricas y la conversión de energía de diferentes naturalezas que, de otro modo, no sería posible.
Debido a las limitaciones propias de la técnica de los semiconductores de potencia, la potencia de un convertidor viene limitada por la capacidad de entregar corriente de dichos semiconductores o de la tensión máxima de funcionamiento de los mismos.
La manera de construir un convertidor de potencia escalable en potencia se fundamenta en utilizar topologías de circuitos, en los que los semiconductores se colocan en serie o en paralelo de forma modular para incrementar la tensión y/o la corriente del convertidor. Cuanto mayor sea la limitación eléctrica de los semiconductores, más complicado se hace realizar un convertidor de alta potencia.
Hoy en día existen múltiples topologias que permiten construir de forma práctica convertidores de más de 50MVA como, por ejemplo, los convertidores multinivel modulares (MMC) o los convertidores multinivel en cascada (MCHB). Estas topologías se basan en el uso de módulos o celdas independientes que se colocan en serie para generar la tensión de salida.
Este tipo de convertidores, por el hecho de ser modulares y escalables, presentan la ventaja de poder seguir trabajando en caso de fallo de uno de los módulos de potencia que lo componen, lo que en grandes convertidores de potencia es de gran importancia puesto que este tipo de accionamientos suelen estar situados en el control de procesos críticos de plantas industriales o en sistemas de generación eléctrica que requieren de una alta fiabilidad de funcionamiento. Ante un fallo en uno de los módulos de potencia, el equipo puede seguir trabajando e intentando entregar la potencia máxima posible. Sin embargo, el convertidor, ante un fallo de uno (o varios) de sus módulos, no será capaz de entregar una tensión equilibrada a la salida si no se aplica algún tipo de técnica para resolver este problema.
Al margen de esto, la utilización de múltiples módulos en serie en la construcción de un convertidor plantea otro inconveniente, que es que todos los módulos no son iguales ni el sistema de alimentación a dichos módulos tampoco está perfectamente equilibrado, lo que lleva a un cierto nivel de desequilibrio de tensiones de salida en el convertidor incluso aunque no haya ningún módulo en fallo.
Además de todo esto, en aplicaciones en donde entre el convertidor y el dispositivo accionado haya una impedancia desequilibrada, aunque el convertidor genere una tensión equilibrada, en el dispositivo accionado, la corriente no lo será.
Así pues y a modo de resumen, podemos decir que, en los convertidores de potencia, existen al menos 3 problemas importantes asociados al desequilibrio de tensiones o corrientes en la construcción y operación de un convertidor de alta potencia: 1.- Desequilibrio de tensiones debido al fallo de un módulo de potencia.
2.- Desequilibrio de tensiones debido a asimetrías constructivas del convertidor.
3.- Desequilibrio de corrientes debido a la existencia de una impedancia asimétrica entre el accionamiento y el dispositivo accionado.
El presente trabajo, pretende dar solución a estos 3 problemas y, en general, desarrollar el conocimiento general en el estado de la técnica para abordar el problema del desequilibrio en los sistemas polifásicos en tiempo real.
El presente estudio se ha realizado sobre un convertidor del tipo MCHB (Multilevel Cascaded H-Bridge), pero los resultados son aplicables a cualquier tipo de convertidor.
