Técnicas avanzadas de modulación para la reducción de la distorsión armónica total (DAT) en fuentes auxiliares para ferrocarril

Resumen

Las fuentes de alimentación de servicios auxiliares en ferrocarril resultan esenciales para alimentar cargas relacionadas con la seguridad, ventilación, y confort del pasajero. La implementación original utilizada para la alimentación de servicios auxiliares se basaba en la utilización de un conjunto mecánico motor-alternador. Esta solución fue paulatinamente sustituida por convertidores estáticos de potencia, a medida que se desarrolló la electrónica de potencia, proporcionando sistemas más versátiles y con menores requisitos de mantenimiento. Típicamente, la fuente de alimentación de servicios auxiliares debe generar un bus de tensión CA destinado a la alimentación de compresores de aire acondicionado, los ventiladores de los convertidores de tracción, iluminación y, de forma minoritaria en potencia, cargas formadas por electrodomésticos tales como aspiradores, cafeteras del vagón restaurante, ordenadores, etc., así como una salida CC opcional destinada a cargar las baterías de back-up, necesarias para alimentar los servicios de emergencia y/o esenciales del tren en caso de fallo eléctrico. Por consiguiente, se distinguen dos configuraciones típicas de fuentes de alimentación de servicios auxiliares: 1. Fuente de alimentación con salida CA trifásica, implementada mediante un inversor estático y un filtro CA de salida. 2. Fuente de alimentación con salida CA trifásica y salida CC, donde el bus CA se genera mediante un inversor estático y un filtro CA de salida e integra un cargador de baterías que proporciona la tensión CC de salida necesaria. Desde el punto de vista de garantizar la integración de dichas fuentes de alimentación dentro del sistema eléctrico del tren, cada fuente de alimentación es tratada como una caja negra, y únicamente se definen las especificaciones relativas a sus interfaces de entrada y salida, definidas en el estándar IEEE Std 1476-2000. Una de las características fundamentales establecida para el interfaz de salida de dichas fuentes de alimentación requiere que la distorsión armónica total (DAT) presente en la tensión de salida de la fuente de alimentación se mantenga dentro de los límites establecidos en las especificaciones. En este aspecto cabe destacar que el estándar IEEE Std 1476-2000 establece que, en el caso de la alimentación de servicios auxiliares, la DAT máxima admisible depende de las cargas que se vayan a conectar en la salida de la fuente de alimentación. Por consiguiente, las especificaciones relativas a la DAT se fijan mediante un acuerdo entre el fabricante del tren y el fabricante de la fuente de alimentación de servicios auxiliares, de forma que la DAT máxima se establece como un compromiso entre el coste de filtrado del inversor y su fiabilidad, frente al coste y al impacto que los armónicos presentes en la tensión de salida puedan tener sobre las cargas. La distorsión de la tensión de salida es debida a la presencia de armónicos no deseados junto con el armónico fundamental. El origen de dichos armónicos no deseados es debido fundamentalmente a dos posibles causas: 1. Armónicos debidos a la conmutación del inversor Los armónicos debidos a la conmutación del inversor se sitúan por regla general en alta frecuencia, y son característicos de cada técnica de modulación. De forma general, basta la utilización de un filtro CA de salida para obtener un bus de tensión CA que cumpla las especificaciones relativas a la DAT máxima. 2. Armónicos debidos a la presencia de cargas no lineales en el sistema. Se considera carga no lineal a aquellas cargas que, siendo alimentadas con tensión sinusoidal, demandan una corriente no sinusoidal. Por regla general, se trata de cargas electrónicas caracterizadas por absorber corriente solo durante ciertos intervalos de tiempo dentro del periodo fundamental. Como consecuencia, la corriente demandada por este tipo de cargas presenta un alto contenido en armónicos de baja frecuencia que circulan por las impedancias del sistema y provocan la aparición de armónicos de baja frecuencia en la tensión de salida, distorsionándola y aumentando su distorsión armónica total. Por lo tanto, se distinguen dos ámbitos susceptibles de mejora en relación con la DAT, que pueden clasificarse según cuál sea el contenido armónico dominante en la distorsión de la tensión de salida de la fuente de alimentación. Además, para el desarrollo, análisis y validación de ambas soluciones propuestas se han considerado dos configuraciones típicas de fuentes de alimentación de servicios auxiliares, cada una de las cuales presenta uno de los tipos de distorsión dominante enunciados. 1. Reducción de la DAT de alta frecuencia, cuando los armónicos dominantes en la distorsión de la tensión de salida son los debidos a la conmutación del inversor. Es el caso de la fuente de alimentación de servicios auxiliares con salida CA trifásica. 2. Reducción de la DAT de baja frecuencia, cuando los armónicos dominantes son aquellos debidos a la presencia de una carga no lineal en el sistema. Este es el caso de la fuente de alimentación con salida CA y salida CC, en la que el cargador de baterías se comporta como una carga no lineal. Atendiendo a esta clasificación, en la presente tesis se proponen dos soluciones, una para cada uno de los ámbitos considerados, cuyo objetivo fundamental es la reducción de la DAT presente en la tensión de salida CA proporcionada a los servicios auxiliares por la fuente de alimentación. En el primer capítulo de esta tesis se proporciona, a modo de introducción, una visión panorámica del entorno del tren eléctrico. Dentro del tren eléctrico, se distinguen dos ámbitos fundamentales de aplicación de la electrónica de potencia: convertidores de tracción y fuentes de alimentación de servicios auxiliares. Dentro de este último campo de aplicación, se abordan las distintas configuraciones de fuentes de alimentación de servicios auxiliares y se lleva a cabo la elección de las dos configuraciones utilizadas a lo largo de esta tesis. Así mismo, se enuncia brevemente la problemática asociada a la distorsión armónica total, llevándose a cabo la distinción entre distorsión armónica de alta y baja frecuencia que se mantiene a lo largo de todo el documento. En el segundo capítulo, atendiendo a la distinción entre distorsión armónica total de alta frecuencia y de baja frecuencia, el estudio del estado de la técnica y la solución propuesta en cada caso se lleva a cabo de forma independiente: 1. Estado de la técnica y solución propuesta en el ámbito de la reducción de la DAT de alta frecuencia 2. Estado de la técnica y solución propuesta en el ámbito de la reducción de la DAT de baja frecuencia En los capítulos tercero y cuarto se lleva a cabo el análisis y desarrollo de las soluciones propuestas, de forma original, en alta y baja frecuencia, que constituyen las aportaciones fundamentales de esta tesis. En el capítulo 3, en el que se desarrolla la solución propuesta para la reducción de la DAT en alta frecuencia, se comienza con una breve descripción de la fuente de alimentación considerada: generación de un bus CA mediante inversor y un filtro CA de salida. Teniendo en cuenta dicha arquitectura, se lleva a cabo un estudio comparativo de las distintas técnicas de modulación descritas en el estado de la técnica, con objeto de establecer el modulador óptimo en términos de minimización de la DAT presente en la tensión de salida. Dicho estudio requiere: 1. La selección de las técnicas de modulación a comparar, entre las técnicas descritas en el estado de la técnica. 2. La definición de los factores de mérito a evaluar, atendiendo no sólo a la DAT sino también a las pérdidas en el cobre y el hierro de la bobina de filtro, así como las pérdidas en los semiconductores. 3. El establecimiento de las condiciones en las que se realiza el estudio: frecuencia de resonancia del filtro, igualdad de primer armónico e igualdad del número de conmutaciones por periodo fundamental para las técnicas de modulación consideradas. A partir de los resultados obtenidos de la comparación teórica, se establece la estructura del modulador propuesto. Dicho modulador integra las técnicas de modulación de eliminación de armónicos y PWM con inyección de tercer armónico de forma que, para cada índice de modulación, el patrón de disparo seleccionado corresponde a aquella técnica que proporciona la menor DAT en la tensión de salida. Por otro lado, atendiendo a los resultados obtenidos para los restantes factores de mérito ligados a las pérdidas, se comprueba que la utilización del modulador propuesto permite optimizar las pérdidas en el hierro de la bobina en todo el rango de índice de modulación, y no penaliza significativamente las pérdidas en el cobre, que se mantienen en todo momento por debajo de las pérdidas máximas y, por consiguiente, el disipador no es penalizado. Únicamente se detecta que, como consecuencia de la distribución de las conmutaciones dentro del periodo fundamental, cuando se utilizan IGBTs con alta tensión máxima (3300V) las pérdidas en conmutación debidas a la PWM con inyección de tercer armónico son ligeramente superiores que en el caso de eliminación de armónicos y, como consecuencia, las pérdidas en conmutación obtenidas con el modulador propuesto son ligeramente superiores que cuando se utiliza exclusivamente la técnica de eliminación de armónicos. Adicionalmente cabe destacar que el ahorro obtenido en términos de DAT con la utilización del modulador propuesto, permite desplazar la frecuencia de resonancia del filtro de salida a una frecuencia mayor, lo que permite reducir su tamaño y su peso. Con objeto de validar las conclusiones extraídas del estudio realizado, se ha implementado un prototipo a escala sobre el que se ha llevado a cabo la validación experimental y, finalmente, el capítulo se cierra con las conclusiones generales extraídas en el ámbito de la reducción de la DAT en alta frecuencia. Por otra parte, en el cuarto capítulo, se lleva a cabo el desarrollo de la solución propuesta en términos de reducción de la DAT en baja frecuencia. Como en el capítulo anterior, se comienza con la descripción de la arquitectura de la fuente de alimentación auxiliar, formada en este caso por un inversor, un filtro CA y un cargador de baterías implementado mediante un rectificador controlado de onda completa con tiristores, que actúa como carga no lineal. En este contexto, se propone una solución óptima y económica que permite, a través de la modulación del inversor y sin añadir elementos de potencia adicionales, reducir la DAT presente en la tensión de salida del inversor como consecuencia de la presencia de una carga no lineal conocida y concentrada. La solución propuesta consiste en una técnica de modulación que permite, mediante patrones de disparo pre-calculados, distorsionar adecuadamente la tensión de salida del inversor de forma que genere un primer armónico controlado y un conjunto de armónicos de baja frecuencia que, sumados a los generados por la carga no lineal, se cancelen mutuamente. De esta forma, se eliminan los armónicos de baja frecuencia de la tensión de salida de la fuente de alimentación de servicios auxiliares y ser reduce su DAT. La técnica de modulación propuesta, de manera original, se ha llamado cancelación de armónicos y, de manera muy breve, se puede considerar una extensión de la técnica de eliminación de armónicos pero con capacidad de controlar, no solo el módulo de los armónicos generados por el inversor, sino también su fase, mediante el grado de libertad adicional que proporciona la utilización de simetría de media onda en lugar del la simetría de cuarto de onda que caracteriza a la eliminación de armónicos. Dadas las características propias de las fuentes de alimentación de servicios auxiliares, basta la utilización de un control lento basado en tablas de control que contienen patrones pre-calculados, para garantizar el funcionamiento satisfactorio del inversor y generar un bus CA cuya tensión eficaz se mantenga dentro de las especificaciones. Al utilizar una tabla de control, el cálculo de los patrones de disparo es realizado off-line para cada una de las condiciones de trabajo de la fuente de alimentación. A lo largo del cuarto capítulo se desarrolla la justificación matemática de la técnica de cancelación de armónicos propuesta que permite determinar el patrón de disparo necesario para cada punto de trabajo de la fuente de alimentación. Así mismo, dado que se trata de una técnica basada en el cálculo analítico del patrón de disparo, es necesario evaluar la sensibilidad de las prestaciones obtenidas ante variaciones de los parámetros de la fuente de alimentación considerada. A este respecto cabe destacar que, para conseguir unas prestaciones satisfactorias, es conveniente introducir en el algoritmo de cálculo del patrón de disparo una estimación lo más precisa posible de todos los parámetros involucrados, especialmente aquellos relacionados con el filtro CA de salida y el filtro de las salida CC (inductancia de filtro, resistencia serie parásita de la inductancia de filtro, condensador de filtro, etc.). Atendiendo a la estructura de control, la precisión de los resultados obtenidos está relacionada con la discretización de los rangos de operación de la fuente de alimentación de servicios auxiliares. Por lo tanto, el paso de discretización de cada variable involucrada en la identificación del patrón de disparo supone un compromiso entre la capacidad de memoria necesaria (tamaño de la tabla de control) y la máxima desviación asumible en la tensión de salida en términos de tensión eficaz y de DAT. Por ejemplo, para atender un rango de variación típico de las tres magnitudes que definen el rango de operación de la fuente de alimentación de servicios auxiliares: * Rango de variación de la tensión de entrada entre 1000-1800V. * Rango de variación de la potencia de las cargas conectadas en la salida CA, entre 0,5 y 1,5 veces la nominal. * Rango de variación de la potencia entregada en la salida CC, si se considera que la potencia en la salida CC se define como un porcentaje de la potencia nominal en la salida CA, entre 1% y el 50% de la potencia CA nominal. El tamaño de la tabla de control necesaria para mantener el valor de la tensión eficaz de línea del bus CA de salida dentro de una tolerancia de ±4% del valor nominal, es de 9,92MB para una implementación de 7 cortes (14 conmutaciones por periodo). La estructura de control necesaria para seleccionar en cada caso el patrón de disparo necesario requiere la utilización de tres lazos de tipo feedforward y de un lazo de realimentación capaz de atender a los escalones de carga que se puedan producir. En términos de validación, ésta se lleva a cabo tanto mediante simulación como mediante validación experimental sobre un prototipo a escala. Además se realiza la comparación, mediante simulación, de los resultados obtenidos con la implementación del concepto de cancelación de armónicos mediante los patrones de disparo pre-calculados correspondientes a la técnica de cancelación de armónicos con los resultados obtenidos a partir de la implementación PWM del mismo concepto. El resultado más significativo obtenido de la comparación está asociado con la relación existente entre la capacidad de reconstrucción de los armónicos de baja frecuencia en la salida del inversor, y el número de conmutaciones necesario para ello. En este aspecto cabe destacar que el grado de libertad disponible en la implementación mediante patrones pre-calculados de la técnica de cancelación de armónicos, debido a que su frecuencia de conmutación no es constante, permite reconstruir los armónicos de baja frecuencia con un número de conmutaciones sensiblemente menor que en el caso de la implementación PWM, lo que proporciona menores pérdidas en los interruptores. Sin embargo, a cambio de aumentar la frecuencia de conmutación, la implementación PWM aporta la capacidad de atender a cargas arbitrarias. Finalmente, el último apartado de este capítulo se dedica a resumir las conclusiones más significativas obtenidas. Una vez realizado el análisis y validación de las dos soluciones propuestas, en los capítulos tercero y cuarto, el capítulo quinto resume las conclusiones generales y las aportaciones originales realizadas en el presente trabajo. Dentro de dichas aportaciones se distingue: 1. La propuesta de un modulador capaz de seleccionar, para cada índice de modulación, el patrón de disparo que proporciona la DAT óptima en la tensión de salida, lo que permite reducir el tamaño del filtro de salida necesario. 2. El desarrollo de una técnica de modulación novedosa, llamada cancelación de armónicos, que permite reducir el contenido armónico de baja frecuencia presente en la tensión de salida, como consecuencia de la presencia de una carga no lineal conocida, mediante la adecuada pre-distorsión de la tensión de salida del inversor. 3. Transferencia de los resultados de investigación obtenidos a una empresa del sector, mediante la realización de un programa que permite automatizar el diseño del convertidor cuando se usa la técnica de cancelación de armónicos. 4. Transferencia de los resultados de investigación a la comunidad científica mediante al publicación de artículos en revistas internacionales y en congresos tanto nacionales como internacionales.