Algoritmo de Control en Sistema de Generación Diesel de Velocidad Variable Utilizando Conversor Matricial de Cuatro Piernas

El presente trabajo se enmarca dentro de las actividades del proyecto FONDECYT N° 1085289, titulado: “Generación a velocidad variable utilizando conversores matriciales de cuatro piernas”. El objetivo general consiste en implementar un prototipo experimental capaz de emular un sistema diesel de generación a velocidad variable, y de alimentar cargas balanceadas y desbalanceadas, con tensiones de amplitud y frecuencia constantes. Para ello, se hace necesaria la programación de un algoritmo que incluya la rutina de un motor diesel operando a velocidad óptima. La emulación se realiza utilizando un motor de inducción jaula de ardilla, cuya velocidad es controlada utilizando un variador de frecuencia. La referencia de velocidad se regula de forma que el sistema sigue la dinámica asociada a un motor de combustión de consumo mínimo, cuya velocidad está ligada al nivel de potencia que requiera suministrar. Por otra parte, la generación variable hace necesaria la incorporación de una unidad conversora, de manera que la carga sea alimentada con niveles de tensión estables. Para ello, se utiliza un conversor matricial de cuatro piernas, aprovechando sus ventajas de tamaño, peso y confiabilidad. La portabilidad del sistema propuesto aumenta al considerar un generador de imanes permanentes acoplado a la emulación del motor diesel. El generador de imanes permanentes posee alta eficiencia y alta densidad de potencia, por lo que permite inyectar mayores niveles de potencia para una misma envergadura, en comparación a generadores convencionales. El sistema de conversión de voltajes hace uso de un algoritmo que incluye la modulación de las señales de entrada, para lo cual se implementa una rutina de modulación por vectores espaciales (SVM, por sus siglas en inglés). Al mismo tiempo, se utiliza un controlador resonante sintonizado en 50 [Hz], con el fin de establecer un valor específico (y programable) del voltaje fase-neutro en carga, y poder mantener una buena regulación de los niveles de tensión en carga, ante variadas perturbaciones. Las pruebas realizadas permitieron verificar la respuesta de los sistemas de control ante cargas de índole resistiva, capacitiva, inductiva y no lineal, al aplicar impactos balanceados y desbalanceados. En forma general, la respuesta del sistema resultó satisfactoria, pudiendo seguir las referencias de velocidad y mostrando una buena regulación de tensiones. Los casos de desconexión total de carga y de impacto monofásico no lineal fueron aquellos que presentaron resultados menos prometedores. En efecto, el caso de desconexión presentó problemas relativos al tiempo de estabilización de tensiones (200 [ms] de tiempo de estabilización), mientras que durante el impacto no lineal, hubo intrusión de componentes armónicas significativas, tanto en el estator de la máquina de imanes permanentes como en los voltajes fase-neutro de la carga (distorsión armónica total ~7,5%). Sin embargo, en todos los casos, el sistema fue capaz de mantenerse en funcionamiento, lo que se asegura su confiabilidad ante una gran variedad de topologías. Como resultado, se obtuvo un sistema experimental que permite emular un motor diesel con inercia, retardos, coeficiente de fricción y número de cilindros programable. Este sistema es capaz de alimentar cargas de diversa naturaleza y topología, de manera que mantiene estables las tensiones suministradas y adapta su velocidad de generación, a fin de optimizar el uso de combustible. Se puede concluir que la implementación resultó exitosa, ya que se logra establecer una metodología que cumple con los criterios de optimización del motor diesel y de estabilidad en carga. El sistema es útil para el estudio de motores diesel de características variadas, e incluso es adecuado para todo requerimiento en que la amplitud y/o frecuencia de generación presenten variaciones.