Técnicas avanzadas de control e identificación de convertidores electrónicos de potencia basados en la utilización de SoC

Abstract

En este trabajo se ha explorado una línea de investigación sobre nuevos controles digitales orientados a aplicaciones emergentes de los sistemas electrónicos de potencia. Se explota la capacidad de un sistema de identificación de obtener la dinámica de un convertidor de potencia en lazo abierto o lazo cerrado, asegurando el mínimo impacto en su funcionamiento en condiciones normales debido a la necesidad de introducir una señal de perturbación en la variable de control para registrar su respuesta y posterior procesado de las señales. La integración completa de los diversos sistemas desarrollados en un mismo dispositivo digital permite ampliar las funcionalidades del sistema más allá de la identificación de la planta de un convertidor. Esto ha permitido el desarrollo e implementación de funciones como la determinación automática de la amplitud de la perturbación que establece un valor de magnitud de la perturbación empleada en el proceso de identificación adaptada al convertidor del cual se quiere obtener su dinámica, independientemente de su topología, asegurando un resultado lo suficientemente limpio para el cálculo y ejecución de su respectivo control a la vez que asegura la mínima interferencia en la señal de salida (por ejemplo, tensión de salida) cuando este funciona en lazo cerrado. Se ha desarrollado la capacidad de identificar la impedancia de entrada en un sistema de convertidores o red de convertidores. Una típica causa de inestabilidad en estas redes es la disparidad entre la impedancia de salida del convertidor que alimenta un bus de continua y la impedancia de entrada de los convertidores CC/CC regulados que actúan como cargas (los que están conectados al bus). Este tipo de convertidores que actúan como carga normalmente funcionan como fuentes de potencia constante e introducen una impedancia negativa característica en baja frecuencia que tiende a oscilar con la impedancia de salida del convertidor que regula el bus. La condición necesaria que se debe cumplir es que la impedancia de salida del convertidor que regula el bus (convertidor fuente) tiene que ser menor que la impedancia de entrada equivalente de los convertidores a los que está alimentando (convertidores carga). La propuesta de esta tesis es profundizar en la utilización de técnicas de identificación de la respuesta en frecuencia y en la caracterización de la impedancia de salida del convertidor fuente con el objetivo de poder diseñar un lazo de control que se autoajuste y minimice el riesgo de inestabilidades en este tipo de sistemas. çDisponer de un sistema de identificación funcional de la dinámica de un convertidor de potencia proporciona la capacidad de desarrollar o expandir aplicaciones. Una de las presentadas en este documento es el proceso de auto-diseño del sistema de control de un convertidor. Este sistema, a partir del diagrama de Bode identificado, está en capacidad de buscar la mayor frecuencia de cruce posible para un margen de fase establecido que aseguren la viabilidad del regulador diseñado. Se ha desarrollado la capacidad de monitorización del estado de un convertidor de potencia a través de la estimación del valor de la impedancia de su condensador de salida. Se ha desarrollado un sistema que consta de dos subsistemas principales: el sistema de monitorización que se encarga de obtener el diagrama de Bode del convertidor mediante el sistema de identificación y comparar este con un modelo teórico en busca de diferencias significativas que en caso de encontrarse pasa al segundo subsistema; el segundo subsistema es el que se encarga de determinar la impedancia del condensador de salida. Este proceso busca estimar los valores de capacidad y resistencia serie equivalente (ESR) mediante el ajuste del modelo teórico a la medida experimental del diagrama de Bode identificado. El principal objetivo de este sistema es la de vigilar la salud de un convertidor de potencia y que sea capaz de dar aviso de un posible requerimiento de mantenimiento. Por último, las plataformas digitales actuales de tipo System on Chip (SoC) proporcionan las capacidades de procesamiento y almacenamiento de datos suficientes como para permitir implementar sistemas sincronizados y con comunicación constante entre los diferentes procesos mediante buses de datos. Esto lleva a la consecución de un sistema autónomo u online y que ejecuta los procesos necesarios en el momento que sean requeridos. Todos los procesos descritos en este documento se integran en una misma plataforma digital asegurando el comportamiento totalmente online del sistema, sin necesidad de equipos externos como ordenadores para el procesamiento de datos (analítico o matemático). El ordenador sólo interviene en la recepción de los resultados finales, con el fin de depurar el funcionamiento del sistema (al principio del desarrollo) y documentar los resultados.