El Centro Nacional de Investigación en Transporte del Laboratorio Nacional Oak Ridge desarrolló un sistema de propulsión eléctrica que aborda dos problemas críticos en motores de alta potencia: las corrientes de punto neutro y el voltaje de modo común, según informó el laboratorio en un comunicado.

"Las simulaciones muestran una reducción del 90 por ciento en las fluctuaciones de voltaje de punto neutro y una caída del 43 por ciento en el estrés de corriente en los capacitores, ayudando a los sistemas a operar de manera más confiable donde la durabilidad y el tiempo de actividad son críticos", dijeron los investigadores en el comunicado.

El diseño utiliza un mecanismo de cancelación a nivel de sistema que elimina el estrés eléctrico no deseado sin agregar hardware externo ni modificar los circuitos de control existentes, según el laboratorio.

**Arquitectura de doble inversor con sincronización inversa**

La configuración técnica emplea un par de inversores de punto neutro activo conectados que operan con sincronización inversa, según explicó el equipo de ingeniería. Estas unidades duales alimentan dos conjuntos separados de devanados de motor multifase que están enrollados en direcciones físicas opuestas.

Debido a que un conjunto de devanados trifásicos está físicamente invertido, el segundo inversor está programado para suministrar un vector de voltaje de referencia que tiene la polaridad eléctrica exactamente opuesta a la primera unidad, según el laboratorio. Bajo estas condiciones, las corrientes eléctricas opuestas que fluyen a través de las rutas invertidas producen flujo magnético que se combina constructivamente, permitiendo que el motor mantenga su salida de torque normal.

Al mismo tiempo, los voltajes de modo común parásitos y las corrientes de punto neutro interno provenientes de las dos unidades separadas se contraponen entre sí, según la investigación. Este arreglo estructural hace que los estreses eléctricos no deseados se cancelen a nivel del sistema, resultando en voltaje de modo común total cero y corriente de punto neutro neta cero bajo condiciones operativas ideales.

**Desafíos técnicos en sistemas de alto voltaje**

La logística de transporte pesado moderna requiere voltajes operativos de enlace de corriente continua más altos, impulsando el interés en inversores de punto neutro activo de múltiples niveles debido a su distribución equilibrada de pérdidas y capacidad de escalamiento de potencia, según el comunicado.

A pesar de estas ventajas, las configuraciones eléctricas de alto voltaje enfrentan dos desafíos operativos principales, según el laboratorio. El primer problema involucra la corriente de punto neutro, una corriente eléctrica que causa desequilibrios de voltaje de baja frecuencia en los capacitores de enlace de corriente continua divididos, creando calor excesivo y obligando a los fabricantes a usar componentes de hardware sobredimensionados para manejar la carga térmica.

El segundo problema es el voltaje de modo común, que representa voltaje parásito que genera interferencia electromagnética y corrientes internas destructivas, según la investigación. Este ruido eléctrico causa desgaste prematuro de componentes y daño al equipo con el tiempo.

**Estrategia de control para implementación industrial**

Los investigadores construyeron una estrategia de modulación vectorial espacial basada en portadora para verificar que el motor puede operar dentro de plataformas de control industrial, según el laboratorio. El sistema logra cancelación eléctrica completa cuando el voltaje de referencia invertido se empareja con una señal portadora triangular para el inversor secundario que está invertida verticalmente, o desfasada 180 grados, en relación con la señal portadora de la unidad primaria.

Este ajuste crea las secuencias de pulso inversas necesarias sin demandar alta potencia de procesamiento computacional de la computadora de control del vehículo, según la investigación. Todo el rediseño funciona sin alterar el hardware base ni agregar componentes externos.

Un motor eléctrico industrial estándar se adapta invirtiendo la dirección física de enrollado de un conjunto de bobinas durante el proceso de enrollado, en lugar de simplemente cambiar las conexiones de terminación, según el laboratorio. Esta simplicidad permite a las fábricas implementar el diseño usando herramientas y materiales de fabricación existentes.

**Aplicaciones en transporte pesado y aviación eléctrica**

El diseño de Segmented Motor Drive inverso está diseñado para los requisitos técnicos de grandes plataformas de transporte, según el comunicado. "Cumple con las demandas de rendimiento de aeronaves, embarcaciones marinas y camiones de servicio pesado mientras reduce el calor excesivo y el desgaste prematuro", agregó el comunicado.

Esta optimización estructural ayuda a los grandes sistemas de propulsión eléctrica a funcionar con mayor confiabilidad operativa durante el uso continuo, según el laboratorio.

Al reducir el estrés de corriente del capacitor de 124.1 a 70.3 amperios de raíz cuadrada media sin aumentar la complejidad estructural o los costos de fabricación, el sistema proporciona una vía para escalar los trenes de transmisión eléctricos en logística pesada, según la investigación.

"Este cambio de diseño no requiere hardware adicional", concluyó el investigador del Laboratorio Nacional Oak Ridge, Gui-Jia Su. "A medida que los sistemas avanzan hacia niveles de potencia más altos, necesitamos soluciones que sean escalables y confiables".