DESARROLLO DE CONVERTIDOR Y ESTRATEGIA DE CONTROL DE INYECCIÓN DE ENERGÍA DESDE UN GENERADOR TETRAFÁSICO HACIA UNA RED MONOFÁSICA

SÁNCHEZ MOLINA, DANIEL ESTEBAN (2017)

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Tesis Pregrado

La motivación de esta investigación surge de un proyecto de generación eléctrica de pequeña escala, donde un generador polifásico es diseñado para aprovechar la energía provenientede bicicletas de ejercicios estáticas. Para ello, el diseño de un convertidor estático, que permitacontribuir en el control del grado de carga del generador y en la transferencia de energía haciala red de baja tensión nivel residencial, es fundamental y el foco de este trabajo.Los principales desafíos técnicos del proyecto son, el diseño de un generador eléctrico debaja tensión y velocidad nominal del orden de 100 rpm, diseño del convertidor con controlde corriente de entrada, que emule el ajuste del grado de carga de la bicicleta estática, y lacapacidad de inyección de energía a la red monofásica de 220V y 50Hz.Dos topologías de convertidores son desarrolladas, basadas en estudios de aplicacionessimilares como generación fotovoltaica y convertidores de baja potencia. Una, la topología tipofuente de tensión, incorpora un convertidor boost, un banco de condensadores en enlace dc,y un inversor puente H. La otra, una topología tipo fuente de corriente, consta de un reactorde alta inductancia y un inversor puente H. Ambas topologías operan on grid, conectadasmediante un filtro LC. Un marco de referencia sincronizado con la red es utilizado en losmodelamientos, lo que permite el control de reactivos transferidos a la red en la topologíaVSI.Los esquemas propuestos son evaluados a través de simulaciones computacionales, en escenariosrepresentativos de la operación en una rutina de ejercicios real. Estos escenariosdefinidos son, control de grado de carga ante variación de la velocidad, representado por cambiode tensión del generador, y, modificación de la carga de la bicicleta manteniendo cadenciade pedaleo, representado por un cambio de consigna en la corriente de entrada manteniendotensión del generador constante.La evaluación de los convertidores propuestos dependerá de la rapidez de respuesta delcontrol, criterios de estabilidad, versatilidad en rangos de operación, contenido armónico dela corriente inyectada a la red y beneficios adicionales.

The motivation of this research arises from the design of a low scale electric generationproject, where a poly–phase generator is designed to harvest the energy from stationaryexercise bicycles. To do this, the static converter design, allowing load control of the generatorand energy injection capability to low voltage residential newtwork, is fundamental and thefocus of this work.The main challenges involved in this project are, the low voltage electric generator designwhose typical speeds are below 100 rpm, the static converter design with input current controlstrategy to emulate the load control of the exercise bicycle, and the energy injection capabilityto 220V and 50Hz single–phase grid.Two converters topologies are developed, based on similar applications such as photovoltaicgenerators and low power converters. One, the voltage source inverter topology, incorporatesa boost converter, a dc–link capacitor bank, and a single–phase full brigde inverter. Theother, a current source inverter topology, consists in high inductance reactor and a full bridgesingle–phase current inverter. Both topologies work on grid, connected by LC filter. A referenceframework synchronized with single–phase grid is used for converters modelling, allowingreactive transfer control to the grid in the VSI topology.The schemes proposed are evaluated by computational simulations, in representativesscenarios of typical performance regimes of an exercise bike routine. The scenarios definedare, load control and speed variations, represented by generator voltage change, and, shift ofbycicle resistance at same pedaling rate, represented by modification of input current referencekeeping generator voltage level.The assessment of the converters proposed will depends of dynamics of the control response,stability criteria, versatility of operating ranges, harmonic content of grid current andadditional benefits.