Aportaciones en el diseño, funcionamiento y control del convertidor dab bidireccional basado en elementos magnéticos variable

Resumen

La investigación del presente trabajo de doctorado propone y argumenta un planteamiento alternativo a una de las soluciones del estado del arte para implementar etapas de potencia bidireccionales en Transformadores de Estado Sólido (SST por sus siglas en inglés) de uso en el ámbito de las microrredes híbridas AC-DC. La solución propuesta plantea el uso de un elemento magnético variable como inductancia principal en las topologías de Convertidores Electrónicos de Potencia (PEC por sus siglas en inglés). Los elementos magnéticos variables son dispositivos electromagnéticos basados en el cambio de la impedancia inductiva de un bobinado colocado alrededor de un núcleo magnético saturable. Este mecanismo se logra cambiando el nivel de saturación del núcleo magnético. Estos dispositivos, por lo tanto, permiten grados adicionales de libertad en el diseño y control de los PEC, y si se aprovechan adecuadamente, permiten un mejor funcionamiento del sistema. Para evaluar esta hipótesis, se definió un conjunto de objetivos en las primeras etapas de la investigación. Se examina a continuación el cumplimiento de dichos objetivos, mediante el desarrollo de las tareas de investigación realizadas durante el presente trabajo. El primer objetivo de esta investigación se estableció para identificar la topología de SST mas adecuada para la aplicación objeto del trabajo. Se establece como punto de partida una estructura de tres etapas para el SST, considerando una microrred híbrida CC-CA de tipo III. El convertidor bidireccional CC-CC seleccionado es, tal y como se justificó anteriormente, el convertidor DAB. El segundo objetivo se estableció para llevar a cabo una profunda revisión de la literatura relacionada con el concepto de elemento magnético variable. Como resultado de la consecución de este objetivo, se definieron las principales conclusiones del estado del arte actual del concepto de elemento magnético variable. El tercer objetivo, se dedicó a realizar un estudio exhaustivo del funcionamiento del convertidor DAB, su modelado y las limitaciones que dificultan su funcionamiento en márgenes amplios de tensión y carga. El cuarto objetivo establecía como finalidad una caracterización del funcionamiento de la inductancia variable, así como el desarrollo de un modelo analítico que pueda proporcionar una predicción precisa del comportamiento del dispositivo, específicamente en funcionamiento no lineal. El quinto objetivo era explorar las potenciales mejoras en las características del convertidor DAB operando con un inductor variable, en cuanto al flujo de potencia, al aumento de la eficiencia y a la respuesta dinámica. Finalmente, la consecución del sexto y último objetivo, centrado en la validación experimental de los hallazgos anteriores, se detalla mediante la descripción de un prototipo de laboratorio del convertidor DAB construido para este trabajo, incluyendo el elemento magnético variable. Como conclusión, puede afirmarse que se han alcanzado todos los objetivos previstos al principio de este trabajo de investigación. La presente Tesis Doctoral expone y discute el cumplimiento de estos objetivos a lo largo de los 8 capítulos y los anexos incluidos en el documento.