Estrategias de operación con tolerancia a fallas en inversores multinivel para asegurar la continuidad del proceso en sistemas industriales y mineros

Abstract

En el sector industrial y minero se utilizan motores de gran potencia accionados por variadores de velocidad, los cuales han sido colocados para que los procesos sean más eficientes; sin embargo, debido a aspectos constructivos y efectos de la red, se pueden presentar fallas en estos equipos, interrumpiendo el proceso productivo y generando pérdidas económicas importantes. Las fallas más comunes se dan en la etapa inversora del variador compuesta por inversores multinivel. Se presenta el estudio y simulación de un sistema de control que permita que los inversores multinivel puedan tolerar fallas producidas en los dispositivos semiconductores de potencia, mediante la reconfiguración de la modulación de las señales de disparo, sin perjudicar el funcionamiento del motor y asegurando la continuidad del servicio. Se realiza la descripción de los inversores multinivel de enclavamiento de punto neutro (NPC) de tres niveles y el inversor cascada multinivel de siete niveles, sobre los cuales se aplicará la estrategia propuesta. Se simuló un sistema eléctrico minero existente, en 4.16kV - 1.360MVA (compuesto por transformador -variador - motor) donde la configuración del inversor es un NPC de tres niveles y se produjo una falla en la etapa inversora. Sobre este sistema se probó la estrategia propuesta. Se propone el uso de inversores cascada multinivel de siete niveles, debido a la flexibilidad para tolerar las fallas, analizando escenarios múltiples debido a la mayor cantidad de dispositivos de conmutación que posee. Para la simulación de estos sistemas se utilizó el software PSCAD/EMTDC y al final de esta tesis se dan los lineamientos para futuros trabajos

In industrial and mining enterprises (sector) is usual to use high power engines powered by variable speed Drives, that have been used in order to make processes more efficient, nevertheless, due id construction aspects and network effects, failures can appear in these equipments, interrupting the production process and causing important economics losses. The most common failures occur in the inverter stage of the driver that is composed by multilevel inverters. This document presents the modeling, study and simulation of a control system that allows multilevel inverters to tolerate failures produced in the switching devices, through reconfiguration of trigger signals modulation, without affecting the engine performance and ensuring the service continuity. There will be the description of neutral point clamped multilevel inverter (NPC) three levels and the cascade multilevel inverter seven levels, in which will be applied the proposed strategy. A real mining electrical system, that existing, is modeled, in 4.16kV - 1,360MVA (composed by transformer-drive-motor) where the inverter configuration is a three levels NPC and present a failure in the inverter stage, in this system was tested the strategy proposed. It is proposed to use a cascaded multilevel inverter seven levels, due to flexibility to tolerate failure, analyzing multiple cases because of the greater quantity of switching devices that it has. For modeling of these systems is been used the PSCAD/EMTDC software. At the end of this thesis are given guidelines for future works.