Crean sistema convertidor de energía autorregulado

En la convocatoria anual de Fondo Nacional de Innovación y Desarrollo Científico y Tecnológico (FONDOCYT) fue sometido y posteriormente aprobado el proyecto de innovación tecnológica referente al diseño y construcción de un Convertidor Multifuncional de energía con Autorregulación Digital, donde se han invertido más de RD$7 millones, a saber: RD$5,021,095.00 aportados por el Ministerio de Educación Superior, Ciencia y Tecnología (MESCyT); y RD$2,139,500.00 de contrapartida aportada por la Universidad APEC.

Este proyecto se enmarca dentro de las líneas estratégicas del FONDOCYT, referentes a innovación tecnológica y energías renovables. La investigación e innovación desarrolladas vienen a dar respuesta a una serie de necesidades de nuestra sociedad, relacionadas con el uso de los inversores de corriente tradicionales, dispositivos ampliamente conocidos por los dominicanos.

El nombre original no lleva la palabra “multifuncional”, pues en el ámbito de los sistemas convertidores, hablar de multifuncionalidad sería redundante. Una de las funciones, pero no la única, de un convertidor es la inversión (de ahí inversor), que consiste únicamente en tomar la energía de un acumulador, también llamada corriente directa (VDC) o constante, pues solo tiene un valor fijo (por ejemplo 9 o 12 VDC) y una sola polaridad, según la cual la corriente viaja en un solo sentido de positivo (+) a negativo (-) e invertirla en una corriente alterna u oscilante (VAC), que tiene un valor variable y dos polaridades.

Queda claro que si la inversión de corriente (función fundamental que cumple un convertidor), no queda satisfecha por el diseño, sencillamente las demás funciones no tienen ningún sentido ya que son solo mejoras adicionales a la primordial. Una vez cumplida la inversión, el dispositivo puede exhibir otras funcionalidades, que le permiten superar algunas de las limitaciones que afectan a los equipos tradicionales.

La línea principal de investigación, en uno de sus objetivos específicos, se centró en identificar esas limitaciones y ha reconocido al menos doce de ellas, como se detalla a continuación:

Limitaciones de las soluciones tradicionales de inversor 1. La inversión está cubierta pero con una señal alterna tipo Onda Cuadrada, la cual reduce la vida útil de los equipos que se conectan al inversor.

2. A veces la onda es sinusoidal escalonada, lo cual también afecta los equipos conectados.

3. Precisamente por la forma no sinusoidal de la onda que generan los inversores tradicionales, estos fallan al conectar ciertos equipos de cargas como motores, neveras, etc.

4. El diseño tradicional no involucra la autorregulación de salida frente a altos o bajos amperajes de la carga, es decir, dispone de poca estabilidad de voltaje y de factor de potencia en la salida.

5. No se autorregulan en la entrada, es decir, no son capaces de asumir cambios (alto o bajo voltaje) en las fuentes de entrada.

6. La tecnología tradicional de inversión, basada en transformadores de núcleo, genera excesivo calor interno lo que reduce la vida útil del inversor.

7. Poca posibilidad de expansión. Si originalmente se requiere una potencia de 2 kilovatios (KW) pero luego el consumo crece a 4KW, sencillamente se descarta el dispositivo actual y se reemplaza por otro más potente. Es decir no hay protección para la primera inversión.

8. Los dispositivos tradicionales no permiten interacción con el usuario, salvo los interruptores de encendido, protección y derivación o bypass. Normalmente el usuario no tiene forma de saber el estado interno de su dispositivo.

9. No disponen de memoria. Esta es la causa fundamental de la limitación no. 8.

El dispositivo no es capaz de recordar los valores paramétricos fundamentales en ciertos instantes del tiempo, lo cual permitiría analizar mejor el estado del aparato.

10. No protegen el banco de baterías. Las baterías entran al banco y entregan su trabajo en forma de ciclos de carga y descarga. El dispositivo no tiene forma de distinguir una batería de otra, ni en qué estado de salud se encuentra una o varias de ellas en específico.

11. No procesan otros tipos de energía (solar, eólica). Los equipos tradicionales están diseñados para suplirse de corriente directa, desde acumuladores de plomo, ácido, alcalinas, entre otros tipos. Esto hace que los dispositivos tengan que instalarse cercanos a los bancos de baterías.

Aplicaciones de uso rural quedan parcialmente excluidas, pues, normalmente no son capaces de procesar corriente directa desde paneles fotovoltaicos, turbinas eólicas o celdas de hidrógeno.

12. Pesos y tamaños elevados. Por la tecnología de grandes transformadores, se obtienen dispositivos muy pesados y de gran tamaño, los cuales son más difíciles de instalar.

Logros del proyecto El presente proyecto ha iniciado el replanteamiento del diseño de los convertidores de energía para las necesidades del mercado local y de otros países en desarrollo, utilizando un enfoque integral que toma en cuenta todas las necesidades planteadas más arriba, para la elaboración de un prototipo que pueda cubrir, si no todas al menos las más críticas de ellas.

En el momento actual los avances alcanzados en la investigación son: ï Diseño y modelización del Convertidor amplificador DC-DC parte fundamental en la generación del voltaje adecuado para la onda sinusoidal, logrando que con técnicas digitales disponga de un lazo de control estable, que permite mantener los niveles de voltaje y amperaje, bajo amplios rangos de variación de la carga.

Este convertidor-amplificador es capaz, además, de mantener una estabilidad tal, que permite generar una onda prácticamente sinusoidal que minimizará los daños a los equipos conectados. Con esto quedarían resueltas las limitaciones de 1 a la 4.

ï Usando la tecnología de transformadores de ferrita se reducen las emisiones de calor así como el tamaño y peso del aparato, por lo que las limitaciones 5 y 12 quedan eliminadas.

ï La autorregulación de entrada y salida queda cubierta con el uso de circuitos de retroalimentación, basados en dispositivos de procesamiento digital de señales (Digital Signal Processing - DSP), que muestrean las señales de salida y las comparan con una referencia de control, de modo que el sistema rápidamente recobra el estado normal, ante la sola detección de un mínimo desvío de la señal de referencia.

ï La capacidad de poder recordar el estado de los parámetros está cubierta con los modelos matemáticos procesados por los dispositivos llamados matrices de compuertas programables en el campo (Field Programmable Gate Array - FPGA) que han sido incorporados en el modelo y que hasta la fecha (bajo modelo), han mostrado excelente índice de desempeño en la velocidad de estabilización. Se refiere a las limitaciones 8 y 9.

ï Se están dando pasos en la estructuración de un algorritmo que permita determinar la posición de una batería en el banco, para luego medir su estado de salud. Con esto la limitación no. 10 quedará superada.

Estos avances se han probado a nivel de los modelos matemáticos del circuito, así como de los componentes DSP y FPGA. Los investigadores de este proyecto, el Ing. Carlos Liquet, Dr. Alonzo Vera y el Ing. Fernando Manzano (autor del artículo), han invertido la mayor parte de tiempo en perfeccionar los modelos eléctricos y electrónicos del Convertidor, para poder corregir a bajo costo cualquier posible fallo. Esto hace posible que, llegado el momento, se disponga de un mejor circuito con mayores probabilidades de éxito al construir el prototipo.

El siguiente paso es trabajar con la línea de diseño, que permitirá al convertidor procesar energía fotovoltaica de la misma forma en que lo hace desde baterías. Consecuentemente se posibilitará que el convertidor sea usado tanto en zonas urbanas como en rurales alejadas de las fuentes utilitarias de electricidad. Esto a su vez permitirá, por ejemplo: instalar más celdas celulares en regiones más alejadas, sabiendo que la generación eléctrica podrá funcionar con al menos 3 posibles fuentes de energías alternativas: baterías, luz solar y celdas de hidrógeno, garantizando mayor autonomía y reduciendo costos de mantenimiento. Como el dispositivo estará dotado de memoria y procesamiento con el uso de los circuitos DSP y FPGA, también eventualmente podrá transmitir su estado de salud de manera proactiva, a través de Internet, a una estación de monitoreo desde la cual entonces se podrán programar visitas de mantenimiento de forma más efectiva.