Nuevas aportaciones en los sistemas de alimentación de los servicios auxiliares del ferrocarril. Topologías y estabilidad

Resumen

El presente documento de tesis se centra en desarrollar nuevas aportaciones que permiten resolver algunos de los principales problemas, que se encuentran comúnmente en los sistemas de alimentación de los servicios auxiliares del ferrocarril, dado que los trenes, metros y tranvías son uno de los medios de transporte más utilizados en Europa. El sistema de alimentación de los servicios auxiliares en el que se basan las aportaciones de este documento está compuestos por un filtro de entrada, un convertidor CC-CC principal, el cual crea una tensión de bus intermedio de corriente continua, con el objetivo de alimentar a un convertidor CC-CC que opera como cargador de baterías y a un inversor trifásico, el cual es el encargado de suministrar energía a los sistemas de iluminación, ventiladores de los sistemas de tracción, electrónica y comunicaciones, compresores de aire acondicionado y sistemas de entretenimiento. Las aportaciones originales de este documento de tesis han sido clasificadas en tres aspectos diferentes: topología, estabilidad e innovación. En el aspecto de la topología se presentan las siguientes aportaciones: • Se presenta un nuevo modelo de pequeña señal del convertidor de puente completo con fase desplazada, el cual tiene en cuenta los efectos derivados de la inductancia de dispersión del transformador. Se demuestra que la inductancia de dispersión produce un retraso en la propagación de ciertas perturbaciones en el puerto de entrada y salida del convertidor. Este retraso en la propagación de las perturbaciones se lo ha considerado como un retardo. Este retardo produce una caída de fase adicional en la función de transferencia de la audiosusceptibilidad. • Se propone una nueva arquitectura de convertidor modular llamado ISOPOS, el cual consiste en tener varios convertidores idénticos conectados en serie a la entrada y a la salida se dividen por grupos de convertidores que están primero conectados en paralelo y luego estos grupos de convertidores son conectados en serie. En esta arquitectura la tensión de entrada es repartida entre los diferentes módulos de convertidores, con el fin de reducir el nivel de tensión en el puerto de entrada de cada módulo. Por otro lado, esta arquitectura modular permite conseguir una tensión media-alta en el bus intermedio de corriente continua. Además, aplicando la técnica del entrelazado de las corrientes de la inductancia del filtro de salida se puede reducir notablemente el rizado de la corriente del bus intermedio de corriente continua. En el aspecto de la estabilidad las aportaciones son: • Se propone una metodología que permite extender el método de la corriente inyectada-absorbida, con el objetivo de simplificar el proceso de modelado en situaciones en la que el convertidor de potencia tenga un filtro de entrada, post-filtro de salida y posibles compensaciones feedforward en la estructura de control. Esta metodología consiste en obtener funciones de transferencia complejas a partir de los coeficientes característicos básicos del convertidor electrónico de potencia, que se encuentran fácilmente en la literatura existente. • Se presenta un nuevo método de amortiguación activa que permite controlar de manera directa la energía excedente instantánea del condensador del filtro de entrada aumentado el consumo de potencia en la carga. Este método de amortiguación activa crea una señal estabilizadora genérica que puede ser inyectada en cualquier estructura de control. Como consecuencia, el método propuesto modifica la impedancia de entrada del convertidor haciendo que durante el estado transitorio se comporte como una resistencia positiva. Además, el método propuesto tiene una acción estabilizadora, ya que permite diseñar lazos de control con una frecuencia de cruce superior a la frecuencia de resonancia del filtro de entrada. Finalmente, en el contexto de las aplicaciones ferroviarias, se propone implementar el método de amortiguación activa sobre el cargador de baterías con el fin de disipar la energía excedente. En el aspecto de la innovación la aportación es: • Se plantea un procedimiento para medir de forma experimental la respuesta en frecuencia de las principales funciones de transferencia, cuando los lazos de control están implementados en plataformas digitales como es el caso de los System on Chip (SoC). Para la aportación del modelo de pequeña señal del convertidor de puente completo con fase desplazada, se ha realizado un estudio del estado del arte de los modelos de pequeña señal existentes. Se ha descrito el principio de funcionamiento del convertidor, considerando los efectos que provoca la inductancia de dispersión del transformador. Para la obtención del modelo de pequeña señal se ha utilizado la técnica de modelado promediado. Por otro lado, se ha demostrado que en esta topología el intervalo del tiempo de bloqueo crea un retraso en la propagación de la perturbación de la tensión de entrada, el cual afecta a la respuesta dinámica de la corriente de la inductancia del filtro de salida. De igual manera, el intervalo del tiempo de bloqueo también crea un retraso en la propagación de la perturbación de la tensión de salida, el cual afecta a la respuesta dinámica de la corriente de entrada. Este retraso en la propagación de las perturbaciones ha sido considerado como un retardo que afecta algunos de los coeficientes característicos del método de la corriente inyectada-absorbida. El modelo de pequeña señal propuesto ha sido también comparado con algunos de los modelos que se encuentran en la literatura existente. Para la aportación de la arquitectura ISOPOS, se ha realizado un estudio del estado del arte de las arquitecturas modulares existentes. Se han descrito algunas de las principales técnicas de control que usualmente se utilizan en los convertidores modulares. Se ha desarrollado un análisis de estabilidad de la arquitectura propuesta ISOPOS considerando que el ciclo de trabajo es común en todos los módulos. En este análisis se ha demostrado que la arquitectura propuesta alcanza de forma natural el reparto equitativo de la tensión de entrada y tensión de salida cuando se considera al convertidor de puente completo con fase desplazada. También se ha obtenido el modelo de pequeña señal de la arquitectura ISOPOS con el fin de determinar la planta y así diseñar de forma óptima el lazo de control de la tensión del bus intermedio de corriente continua. En la metodología propuesta para extender el método de la corriente inyectada-absorbida, se ha presentado un estudio del estado del arte de las principales técnicas de modelado de convertidores electrónicos de potencia. Se ha desarrollado una descripción muy detallada de los pasos necesarios para conseguir extender el método de la corriente inyectada-absorbida tradicional. El principal objetivo de esta metodología es poder obtener funciones de transferencia complejas a partir de funciones de transferencia básicas. Como parte del análisis, se han obtenido lo coeficientes característicos del modelo extendido de la corriente inyectada-absorbida. También, se han determinado las principales funciones de transferencia genéricas del convertidor electrónico de potencia que pueden considerar o no el filtro de entrada, post-filtro de salida y compensaciones feedforward. Además, se ha demostrado que la metodología propuesta puede ser aplicada a las cargas de potencia constante y a las aplicaciones ferroviarias. Por otro lado, se presenta un estudio del estado del arte de algunos de los métodos de amortiguación activa existentes, que permiten atenuar los efectos que produce la interacción del filtro de entrada con las cargas de potencia constante. Para el método de amortiguación activa propuesto, primero se ha desarrollado una descripción y análisis de la técnica en gran señal. Luego se ha obtenido el modelo de pequeña señal con el objetivo de calcular la impedancia de entrada en lazo cerrado del convertidor electrónico de potencia, considerando el método de amortiguación activa propuesto. Se ha demostrado que esta técnica crea una impedancia virtual en paralelo a la impedancia de entrada del convertidor, con el objetivo de tener un comportamiento de resistencia positiva en los alrededores de la frecuencia de resonancia del filtro de entrada. También se ha desarrollado un análisis de estabilidad utilizando el criterio de impedancias. Este análisis de estabilidad ha sido aplicado a dos escenarios diferentes, el primero es cuando el convertidor CC-CC principal tiene una carga puramente resistiva y el segundo es cuando el convertidor CC-CC principal tiene a un cargador de baterías como carga. A manera de aplicación se ha desarrollado el diseño de los lazos de control de los convertidores que conforman el sistema de alimentación de servicios auxiliares del ferrocarril utilizando las aportaciones de topologías y estabilidad de manera conjunta. Se ha demostrado que el convertidor que opera como cargador de baterías es capaz de disipar la energía necesaria para estabilizar todo el sistema. Finalmente, las aportaciones de topología y estabilidad son validadas sobre dos prototipos del convertidor de puente completo con fase desplazada, cuya estructura de control es implementada en una plataforma digital System on Chip (SoC). Por esta razón, se ha presentado un procedimiento para obtener las respuestas en frecuencia de las principales funciones de transferencia cuando los lazos de control están implementados en dichas plataformas.