Las máquinas eléctricas constituyen la principal fuente de consumo de energía eléctrica a nivel mundial, representando un 30% del consumo eléctrico global. Se estima que el consumo eléctrico producido por motores eléctricos alcanzó los 6000TWh durante 2017, con una valoración económica de USD 768 billones.
A nivel nacional, la situación es similar. En minería, principal actividad económica del país, los motores eléctricos representan un 70% del consumo de energía eléctrica, con 5.5 GWh consumidos por motores menores a 100 HP, y 10.3 TWh producidos por motores de más de 100 HP para 2018.
Debido a la importancia del consumo energía eléctrica de motores eléctricos en minería, se han realizado estudios para analizar cómo el uso de tecnología de alta eficiencia puede disminuir su consumo eléctrico, siendo el uso de Variadores de Frecuencia (VDF) una de las alternativas con mayor potencial de aplicación. En el rango de motores eléctricos de más de 100 HP, se estiman los mayores potenciales de aplicación de VDF pues su tasa actual de penetración es baja. Además, las tecnologías existentes en el mercado tienen problemas técnicos relacionados con bajos rangos de aplicación, confiabilidad y resiliencia a fallas internas, y requieren de filtros y/o transformadores adicionales que reducen la eficiencia del sistema.
Es en este contexto que el presente proyecto propone el desarrollo de un prototipo de un nuevo VDF, para motores de media tensión. El VDF a desarrollar se basa en el Convertidor Modular Matricial Multinivel (M3C), y tiene mejores prestaciones técnicas que los equipos disponibles en el mercado. El VDF-M3C es modular y se compone de la conexión de celdas o módulos Puente-H, que pueden conectarse para alcanzar altos niveles de potencia-tensión. A diferencia de otras topologías disponibles en el mercado, el VDF-M3C no requiere de transformadores ni filtros armónicos, ya que su estructura modular habilita su operación directa a niveles de media tensión.
Durante el proyecto se desarrollarán modelos matemáticos y estrategias de control que permitan la correcta operación del VDF-M3C en aplicaciones de minería. Se dará énfasis en lograr la operación del VDF-M3C en todo rango de operación, incluyendo partida y operación nominal, para aplicaciones como ventiladores, bombas, correas transportadoras, etc. En todos estos casos, se espera que los algoritmos de control del VDF-M3C permitan operación modular y escalable, con capacidad de operación ante fallas, frenado regenerativo, alta calidad de energía y bajas pérdidas.
Además del desarrollo teórico recién mencionado, se considera la construcción de un prototipo experimental del VDF-M3C, constituido de un sistema de control y una etapa de potencia. La etapa de control en será regulada microprocesadores que ejecutarán las estrategias de control diseñadas. Por otro lado, la etapa de potencia del VDF-M3C empleará dispositivos semiconductores controlados de baja tensión configurados en módulos Puente-H, conectados a un banco de pruebas motor-carga que pueda emular distintos perfiles de cargas empleadas en minería.
Finalmente, se realizarán diversas pruebas con el prototipo experimental destinadas a verificar que el VDF-M3C provee de modularidad y escalabilidad, versatilidad, confiabilidad y capacidad de operación en fallas, regeneración de energía, eficiencia energética, baja contaminación armónica, alto factor de potencia, y operación sin transformador ni filtros armónicos.