Control híbrido conmutado como tecnología alternativa de eficiencia energética

Switched Hybrid Control as an Alternative Energy Efficiency Technology

Este artículo presenta técnicas de control híbrido como posible solución al problema de la regulación de los niveles de tensión de salida de los circuitos de conversión de potencia para mejorar su eficiencia energética. Los sistemas de ejemplo corresponden a un convertidor dc-dc Buck y a un convertidor ac-dc Silicon Controlled Rectifier (scr). Se presenta una metodología para implementar algoritmos de control híbrido en tres pasos: modelado matemático, análisis numérico e implementación física. El control en modo deslizante (smc) y el control óptimo conmutado son las técnicas de ejemplo consideradas. Los mejores resultados en la práctica se obtuvieron con la técnica smc. El trabajo complementario incluyó la revisión de aspectos prácticos para mejorar el rendimiento del control óptimo y la aplicación de la metodología a mayores niveles de potencia que produzcan efectos a escala industrial.

INTRODUCCIÓN

Actualmente cobra vital importancia el buen uso que la humanidad pueda dar a los recursos energéticos. Fenómenos como el calentamiento global y la reducción de reservas naturales nos hacen pensar en la necesidad de administrar mejor la demanda de recursos por parte de una población en aumento y con una alta dependencia de la electricidad para satisfacer sus necesidades cotidianas. A nivel tecnológico, se reconoce al convertidor de potencia como el sistema que posee la responsabilidad de administrar de forma adecuada la transferencia energética entre una fuente y la carga que luego realizará el trabajo. Esta administración energética se traduce en acciones de regulación tradicionalmente resueltas mediante variaciones en la conmutación de los dispositivos semiconductores de los cuales está compuesto. En particular se emplea la variación del ciclo útil para una señal modulada en ancho de pulso (ᴘᴡᴍ). Soluciones convencionales, basadas por ejemplo en controladores pid [1] para modificar las condiciones de operación de un circuito convertidor de potencia, demuestran no ser las mejores como respuesta ante no linealidades del sistema o ante cambios paramétricos.

Como alternativa se plantean descripciones a manera de combinación entre formulaciones continuas y reglas discretas para el estudio de la conmutación en sistemas como el convertidor de potencia, a partir de los denominados sistemas dinámicos híbridos [2, 3]. Este cambio de paradigma en la manera de analizar y manipular a través de acciones de control híbrido el comportamiento del circuito convertidor de potencia ha permitido obtener resultados importantes reportados en la literatura [2-6]. Algunos enfoques de control híbrido incluyen el control por modos deslizantes (ꜱᴍᴄ por sus siglas en inglés) [7] y el control óptimo [8], cuya formulación matemática busca la estabilidad del sistema a través de la teoría de estabilidad de Lyapunov [9] en complemento con la matemática hamiltoniana [10] y lagrangiana [11].