Mejora de las prestaciones de los convertidores de potencia para máquinas de reluctancia conmutada aplicadas a vehículo eléctrico

Resumen

Con unas normativas sobre emisión y consumo energético cada vez más restrictivas y una conciencia social cada vez más implicada en la necesidad de proteger el medio ambiente, los vehículos eléctricos (EVs) están atrayendo cada vez más la atención del sector de la automoción, político y de los consumidores. Los motores síncronos de imanes permanentes (PMSMs), debido a su gran densidad de potencia y eficiencia, han sido la tecnología de tracción dominante desde la década de los años 90. No obstante, estos motores son fabricados a partir de tierras raras. Las reservas de estos recursos son limitadas y su extracción provoca un gran impacto medioambiental. Por otra parte, los costes de los imanes basados en tierras raras han sufrido un incremento significativo en los últimos años. En este sentido, hay que constatar que el de los EVs es un mercado muy sensible con respecto a los costes.En este contexto, la elección de una alternativa de máquina eléctrica libre de tierras raras es una cuestión importante. Esta alternativa debe ser capaz de satisfacer los objetivos de eficiencia, robustez, densidad depotencia, simplicidad de control y costes establecidos por los distintos organismos internacionales. O en su defecto, mostrar un potencial para cumplir a corto/medio plazo.De entre todas las alternativas de máquinas libres de tierras raras, las máquinas de reluctancia conmutada (SRMs) son consideradas las candidatas más prometedoras para la próxima generación de EVs. Ésto es debido, principalmente, a que poseen características tales como una estructura simple, flexibilidad de control, alta eficiencia, bajos costes y robustez para funcionar en condiciones de fallo. Sin embargo, a causa del intercambio de grandes cantidades de energía magnética entre los devanados y la fuente de energía, es necesario incorporar grandes condensadores en el bus DC. Como consecuencia, se produce un aumento tanto del volumen como de los costes de los convertidores de potencia empleados.Ante este problema, es conveniente investigar en soluciones que aborden o que minimicen la estructura del convertidor. En esta tesis se aportan soluciones que van encaminadas a reducir el tamaño del condensador sin tener que acometer cambios estructurales en el convertidor de potencia de la SRM. Para ello, se realiza un análisis exhaustivo del estado de la tecnología SRM para, de esta forma, determinar la opción de topología de convertidor, control/modulación y tecnología de condensador que mejores prestaciones ofrece.A partir del análisis realizado, en esta tesis se presenta y valida un novedoso algoritmo de modulación para resolver la problemática de las altas corrientes en el bus DC del convertidor SRM. A dicho planteamiento se le ha denominado Modulación de Conmutación Sincronizada (Synchronized Switching Modulation, SSM), el cual se vale de un fenómeno de intercambio de energía entre fases para disminuir la dependencia del bus DC.La reducción en la corriente lograda en el bus DC tiene dos consecuencias directas en el condensador. Por un lado, permite disminuir su tamaño, reduciendo, así, los costes y el volumen de los condensadores a incorporar en el bus de continua. Por otro lado, dicha reducción de corriente redunda en un menor estrés térmico, lo cual aumenta la vida útil de los condensadores. Este segundo aspecto es analizado también en la presente tesis al realizarse un estudio sobre modelos de vida útil, modelos de daño acumulado y fiabilidad en los condensadores que conforman el convertidor SRM. Completando, de esta forma, el análisis del algoritmo SSM desarrollado.Los resultados obtenidos por el algoritmo SSM son positivos. Éste muestra una mejora en la corriente del bus DC del convertidor de potencia de hasta un 16 %, permitiendo una reducción del 20.8 % de la capacidad mínima requerida en el punto de operación más adverso, y un incremento de la eficiencia de hasta un 6 %. Asimismo, esa reducción en la corriente es suficiente para lograr un aumento del 13.83 % de la vida útil del condensador del bus de continua.Disponer de un modelo de vida útil fiable es, a la vez, muy importante y complicado. Sin embargo, el funcionamiento real de un EV es dinámico y el efecto de aplicar el algoritmo SSM depende de muchos otros factores (modelo de EV, aplicación de éste, ciclo de conducción, modelo de condensadores, etc.). Por todo esto, finalmente, en la presente tesis se define una metodología para predecir la vida útil de un condensador del bus de continua de un convertidor SRM a partir de la corriente que la atraviesa, es decir, a partir del conjunto de puntos operacionales (o ciclo de conducción) en el que está trabajando el tren de tracción del EV.