Energia elektrikoa kontrolatu nahian

2013/01/01 Ibarra Basabe, Edorta - EHUko Elektronika Aplikatuko Ikerkuntza Taldeko (APERT) ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

Presio altuko inguruneetan lan egin dezaketenez, urruneko kontrolaren bidezko urpekoetan erabiltzeko egokiak dira MCak. Arg. The Hidden Ocean, Arctic 2005 Exploration, NOAA-OEk utzitako argazkia

Ziur aski, potentzia-elektronika eta potentzia-bihurgailu hitzek ezer gutxi esango diote jende gehienari. Hala ere, nabarmendu beharra dago gure inguruan diren hainbat aplikaziotan teknologia horrek duen garrantzia. Aplikazio horien adibide dira, besteak beste, energia berriztagarrietan oinarritzen diren sorkuntza-sistemak (haize-errotak, sistema fotovoltaikoak, etab.), makina bultzatzaileak, trenak, eta ibilgailu elektriko eta hibridoak. Batzuetan, posible da potentzia-bihurgailuen osagaiek huts egitea, sistemen osotasuna arriskuan jarriz. Alde horretatik, EHUko Goi Ingeniaritza Eskolako elektronika aplikatuko APERT ikerketa-taldean potentzia-bihurgailu matrizialen funtzionamendua ikertu da arazo horri aurre egiteko. Ikerketa-lan horren emaitza izan da autorearen doktore-tesia.

Etengailu modura jokatzen duten gailu elektronikoak elkarrekin konektatuz eraikitzen dira potentzia-bihurgailuak (gailu erdieroaleak konbinatuz eraikitzen dira etengailu horiek), eta horien helburua energia elektrikoa era kontrolatuan transformatzea da. Helburu hori betetzeko, etengailuen pizte- eta itzaltze-aldiuneak era egokian kontrolatu behar dira. Horrela, posible da potentzia-bihurgailuen irteerekin sarritan konektatuta egon ohi diren makina elektrikoen posizioa, abiadura, momentu elektromagnetikoa eta abar kontrolatzea.

Potentzia-bihurgailuetan zenbait topologia bereiz ditzakegu, etengailuek duten konfigurazioaren arabera. Artezgailuak eta inbertsoreak dira, gaur egun, topologia helduen eta ezagunenetarikoak. Hala ere, tesian, bihurgailu matrizial (MC, Matrix Converter ) izenarekin ezagutzen den potentzia-bihurgailua ikertu da sakon. Ezaugarri bereziak ditu bihurgailu horrek; teknologia hori garatzen den heinean, haren erabilera asko heda daiteke. Jarraian azalduko diren ezaugarriei esker, aplikazio oso berezietan erabil daiteke MCa.

Potentzia-bihurgailu matriziala aplikazio kritiko berezietan

Alternotik alternorako (AC/AC) potentzia-bihurketa gauzatzea beharrezkoa da hainbat aplikazio industrialetan. Adibidez, haizearen eraginez haize-errota baten sorgailuan sortutako energia elektrikoa sarera moldatzeko egin ohi da bihurketa-mota hori. Zentzu horretan, AC/AC potentzia-bihurketa egiten duen bihurgailu berezia da MCa. AC/AC motako potentzia-bihurgailu konbentzionalek bi etapatan egiten dute bihurketa: alternotik jarraitura (AC/DC), lehenik eta behin, eta jarraitutik alternora (DC/AC), ondoren. Potentzia-bihurgailu konbentzional ia guztiek ezaugarri komun bat dute: kondentsadore bat (edo gehiago) dute bihurketa-etapen artean. Kondentsadore horiek pisu eta bolumen handia izan ohi dute, eta tenperaturarekiko eta presioarekiko oso sentikorrak dira. Gainera, garestiak dira, eta azkar zahartzen dira.

Etorkizunean, hegazkinen flapei eragiteko sistema elektrikoetan erabil daitezke MCak. Arg. Helmul Bierbaum (www.airliners.net) argazkilariaren baimenarekin erreproduzitua

Aldiz, MCek zuzenean egiten dute AC/AC bihurketa; beraz, ez dute kondentsadorerik erdibidean. Teknologia horri esker, kondentsadore elektrolitiko handiak erabili beharrak sortzen dituen desabantailak gainditu egiten dira neurri handi batean. Hala ere, MCek duten konplexutasuna oso handia da, bihurgailu konbentzionalek dutenarekin konparatuz gero. Aplikazio arruntetan oso zaila da MCak beste potentzia-bihurgailuak ordezkatzea; baina bolumena, pisua eta presioa kontuan hartzeko faktoreak diren aplikazio berezietan, oso lehiakorra izan daitekeen bihurgailua da.

Gaur egun, hegazkinetako sistema hidrauliko pisutsuak sistema elektrikoekin ordezkatu nahian, buru-belarri ari dira lanean ingeniari aeronautikoak eta ikertzaileak (horien adibide dira hegazkinen flap ak eragiteko erabiltzen diren sistemak). MCaren pisu eta bolumen txikiak kontuan izanda, esan daiteke bihurgailu hori oso hautagai egokia izan daitekeela aplikazio horietarako.

Bestalde, urruneko kontrolaren bidezko urpekoetan ere erabil daitezke MCak. Urpeko horiek higitzen dituzten makina elektrikoei eragiteko eta argiztapen-sistemak elikatzeko erabiltzen dira potentzia-bihurgailuak, besteak beste. Lau mila metro arteko sakoneretan lan egiteko daude pentsatuta urpeko horiek; ondorioz, presio oso handiak jasaten dituzte. Potentzia-bihurgailu konbentzionalek arazo handiak dituzte baldintza horietan funtzionatzeko.

Urpeko horien erabilera oso hedatuta dago gaur egun. Esaterako, petrolio-putzuetan konponketak egiteko, ozeanoan zeharreko telekomunikazio-sareak instalatzeko edota ikerketa ozeanografikorako erabiltzen dira urpeko horiek. Adibidez, El Hierro uhartetik hurbil sortu zen sumendia aztertzeko erabili ziren mota horretako urpekoak.

Aipatutako aplikazioek ezaugarri komun bat dute: haien fidagarritasuna faktore kritikoa da. Beste era batera esanda, sistemen funtzionamendu jarraitua bermatu beharra dago aplikazio horietan, nahiz eta erabiltzen diren sistemen osagaietako batek huts egin. Beraz, potentzia-bihurgailuak barne, hutsegite-toleratzailea izan behar du sistemak.

EHUko APERT ikerketa-taldeko laborategian garatutako potentzia-bihurgailu matrizial hutsegite-toleratzailearen plataforma esperimentala. Ezkerretik eskuinera: kontrolaz arduratzen den RT-Lab eMEGAsim gailu digitala, MCaren prototipoa, iturri eta karga programagarriak eta osziloskopioa. Arg. © Edorta Ibarra/EHU

Sistema bat hutsegite-toleratzailea dela esaten da, sistema horrek hutsegiteei erantzuteko gaitasuna duenean, hau da, hutsegiteak gertatzean funtzionatzen jarraitzeko beharrezkoak diren funtzionalitate minimoak mantentzen dituenean. Aplikazioaren arabera zehazten dira zein diren mantendu beharreko funtzionalitate minimo horiek. Adibidez, El Hierron erabilitako Liropus urpekoaren eta horren antzekoak diren ikerketa ozeanografikorako hainbat urpekoren kasuan, garrantzi handikoa da sistemak gainazalera itzultzeko gaitasuna izatea, nahiz eta urpekoa higitzen duten potentzia-sistemek huts egin. Kontuan izan behar da urpeko horiek benetan garestiak direla (1.450.000 euroko kostua izan du Liropus urpekoak).

MCak eskaintzen dituen abantailak aplikazio horietan erabili nahi badira, hobetu beharra dago bihurgailu horren hutsegite-tolerantzia. Horren haritik, MCarentzako soluzio hutsegite-toleratzaile berriak proposatu dira aipatutako doktore-tesian.

Potentzia-bihurgailu matrizial hutsegite-toleratzaile berria

MCak etengailu-kopuru oso handia du. Ondorioz, hutsegite-iturriak izateko aukera oso handiak dituzte etengailuek, eta baita horien aktibazioaz eta desaktibazioaz arduratzen diren driver ek ere (etengailuak osatzen dituzten gailu erdieroaleak kitzikatzeko erabiltzen dira driver horiek). Alde horretatik, etengailu bat zirkuitu irekian gelditzen da, dagozkion driver ek huts egiten dutenean (hau da, etengailu hori ezin da aktibatu). Sistemaren funtzionamendu-maila kaskartzeaz gain, ezer egin ezean, hutsegite-egoera horiek arriskuan jartzen dute sistemaren osotasuna, gaintentsioak gertatzen baitira bihurgailuan.

Hutsegite-mota horri erantzuteko gaitasuna duen estrategia hutsegite-toleratzaile berria proposatu da doktore-tesian. Alde batetik, huts egin duen osagaia zehazten duen detekzio-algoritmo berria proposatu da. Bestalde, bihurgailua gaintentsioetatik babesten duen eta sistemaren funtzionamendu-maila nabarmen hobetzen duen kontrol-algoritmo berria proposatu da.

MC prototipoak irteeran sintetizatutako korronteen emaitza esperimentalak: (a) sistemak ongi funtzionatzen duenean, (b) MCaren etengailuetako bat zirkuitu irekian denean (funtzionamendu kaskarra) eta (c) kontrol algoritmo hutsegite-toleratzailea ezartzean (funtzionamendu pseudo-optimoa) (Emaitzak aurkezten dituzten irudiak artikulu zientifiko honetan argitaratutakoak dira: Ibarra, E. et al: (2011). New Fault Tolerant Matrix Converter. Electric Power Systems Research. 81 (2): 538-552.). Arg. © Edorta Ibarra/EHU

Plataforma esperimental konplexu bat eraiki da ikerketa-laborategian, algoritmo berria balioztatzeko. Lortutako emaitzek erakusten dutenez, kontrol-algoritmo berri horren bidez arrisku-egoeratik irteteko funtzionamendu egokia lortzen du sistemak (abiadura-kontrolak errore txikia du abiadura-eremu zabal batean). Proposatutako soluzioa aurrerapauso handia izan liteke aplikazio kritiko berezietan MCaren erabilera zabaltzeko.

Bibliografia

Aten, N. et al: (2006). Reliability Comparison of Matrix and Other Converter Topologies. IEEE Transactions On Aerospace and Electronic Systems. 42 (3): 867-875.
Casadei, D. et al: (2002). Matrix Converter Modulation Strategies: A New General Approach Based on Space-Vector Representation of the Switch State. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 49 (2): 370-382.
De Lillo, L. et al: (2010). Multiphase Power Converter Drive for Fault-tolerant Machine Development in Aerospace Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 57 (2): 575-583.
Kwak, S.; Kim, T.; Park, G.: (2010). Phase-redundant-based Reliable Direct AC/AC Converter Drive for Series Hybrid Off-highway Heavy Electric Vehicles. IEEE Transactions on Industrial Electronic. 59 (6): 2674-2688.
Nakatani, F.: (2008). Technologies for Energy Saving in Industrial Field. IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering. 3: 190-198.
Snary, P. et al: (2005). Matrix Converters for Sensorless Control of PMSMs and other Auxiliaries on Deep-sea ROVs. Proc. of the IEE Electric Power Applications Conference. 152 (2): 382-392.
Wheeler, P. et al: (2002). Matrix Converters: a Technology Review. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 55 (8): 276-288.

Eskerrak

Ikerketa hau Euskal Herriko Unibertsitateak finantzatu zuen, 2007-2011 doktoretza-aurreko bekaren bidez.

Gai honi buruzko eduki gehiago

Elhuyarrek garatutako teknologia