Aplicación de electrónica de potencia en media tensión para mejora de prestaciones en infraestructuras ferroviarias

Abstract

La historia de la electrificación de los ferrocarriles ha estado muy ligada a la evolución de las redes eléctrica y los semiconductores de potencia, adoptando rápidamente las nuevas soluciones tecnológicas. En los años 60 del siglo pasado, irrumpieron los primeros semiconductores de silicio, entre otros los diodos y tiristores de potencia. Rápidamente los sistemas eléctricos ferroviarios adoptaron los puentes rectificadores a diodos, los cuales perduran hoy en día en las subestaciones de tracción de los sistemas ferroviarios de corriente DC. En los años 80, se desarrollaron los GTOs (Gate Turn off Thyristor), esencialmente se trataba de un tiristor con control de apagado, cuyo driver era tecnológicamente complejo. En los años 90 aparecieron dos nuevos semiconductores de potencia, los IGCTs (Integrated Gate-Commutated Thyristor) y los IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor). El IGCT es en una evolución del GTO donde debido a las dificultades tecnológicas que entrañaba el diseño del driver de control del GTO, se decidió integrarlo con el propio dispositivo de potencia. Sin embargo, la aparición del IGBT hizo que la gran mayoría de las aplicaciones de tracción ferroviaria se decantaran por este semiconductor, relegando a un segundo plano a los IGCTs. Sin embargo, los tiristores han evolucionado de tal manera que son los dispositivos de mayor tensión y corriente en el mercado actual y desde los años 70 del siglo XX se han orientado a otro tipo de aplicación como los sistemas de transmisión de potencia y FACTS, Flexible AC Transmission System. El tiristor se emplea como rectificador e inversor controlado, regulando el flujo de potencia en líneas de transmisión de alta tensión DC y potencia, los denominados HVDC (High Voltage Direct Current), donde funcionan con niveles de tensión de hasta 800 kVDC. Una segunda aplicación consiste en su uso como interruptor AC de media tensión regulando la calidad de la tensión AC en los denominados TCR (Thyristor Controlled Reactor) y TSC (Thyristor Switched Capacitor). En todos estos casos se trata de aplicaciones de varias decenas o cientos de MVAs de potencia. El objetivo de la tesis consiste en investigar nuevas topologías y aplicaciones para el uso del tiristor como interruptor AC en un rango entre 1 y 10 MVAs, superando las prestaciones de semiconductores de potencia como IGCTs e IGBTs. Las aplicaciones se centran en la mejora de las prestaciones en infraestructuras eléctricas ferroviarias. El resultado principal esperado es el desarrollo de una nueva topología que utilice tiristores de potencia y cuya aplicación abarque un campo lo suficientemente amplio y con altas perspectivas de desarrollo industrial. Un resultado secundario se refiere a la aplicación de un método para el desarrollo de nuevas soluciones de electrónica de potencia aplicada a la media tensión. El método se divide en una fase conceptual y una fase de diseño y validación. La fase conceptual debe describir el problema y elaborar una propuesta final. Para ello, identifica la mejor solución contrastada a nivel conceptual que resuelva la problemática planteada. La fase de diseño y validación debe minimizar las incertidumbres y riesgos tecnológicos en un paso anterior a la implementación de la solución en la aplicación final. Al tratarse de dispositivos de electrónica de potencia con magnitudes de tensión y corriente elevadas, requiere de grandes