Unidad de accionamiento de motor de reluctancia conmutada orientada al rendimiento usando convertidor en cascada multipuerto y esquema avanzado de control directo de par

Por qué importan los accionamientos eléctricos más suaves

A medida que los vehículos eléctricos se generalizan, los conductores esperan que sean no solo limpios y eficientes, sino también silenciosos, suaves y fiables. Un tipo de motor prometedor para los futuros VE es el motor de reluctancia conmutada, que es robusto, económico y no requiere imanes de tierras raras. Sin embargo, estos motores pueden sufrir tirones en el par y vibraciones adicionales, lo que reduce la comodidad de marcha y somete a esfuerzo las partes mecánicas. Este artículo presenta una nueva forma de alimentar y controlar dichos motores para que funcionen con mayor suavidad, desperdicien menos energía y se adapten mejor a las exigentes tareas de tracción en automoción.

Un tipo distinto de motor eléctrico

El estudio se centra en los motores de reluctancia conmutada, que difieren internamente de las máquinas de imán permanente más conocidas. En lugar de usar imanes en el rotor, estos motores se aprovechan de la tendencia del rotor a moverse hacia regiones donde las trayectorias magnéticas son más fáciles —zonas de mayor inductancia. Mediante el conmutado de corriente encendiendo y apagando varias bobinas del estator en secuencia, el controlador atrae el rotor y genera par. Este diseño es robusto, sencillo y barato de fabricar, y evita la dependencia de materiales de tierras raras. Sin embargo, el conmutado rápido on–off y la fuerte no linealidad magnética del motor pueden generar grandes rizados en par y corriente, provocando ruido, vibraciones y un desgaste adicional en los vehículos eléctricos.

Un nuevo “puente” de potencia para el motor

Para domar estos problemas, los autores rediseñan la etapa de potencia electrónica que conecta la batería con el motor. En lugar de un convertidor convencional de dos niveles, que aplica de forma abrupta o el voltaje total o cero a cada fase, proponen un convertidor modular en cascada multipuerto formado por submódulos apilados por fase. Cada fase puede ahora disponer de varios niveles de tensión intermedios, no solo encendido o apagado. Este enfoque multinivel suaviza la forma de onda de tensión, reduce la tensión eléctrica sobre los interruptores y el aislamiento, y disminuye los armónicos indeseados en la corriente. La estructura modular también es más fácil de escalar y más tolerante a fallos, lo cual es importante para sistemas de tracción críticos en seguridad.

Control de par en tiempo real más inteligente

El hardware se combina con un esquema mejorado de control directo de par que actúa como un director de tráfico de disparo rápido para los interruptores de potencia. En lugar de moldear lentamente las corrientes mediante bucles de retroalimentación tradicionales, el control directo estima en tiempo real el flujo magnético y el par del motor y selecciona de un conjunto de patrones de tensión según la dirección y la intensidad con que debe cambiar el par. En este trabajo, los autores diseñan modelos matemáticos detallados del comportamiento no lineal del motor y organizan los patrones de tensión posibles en ocho sectores y ocho vectores. Una tabla de conmutación personalizada selecciona entonces el mejor patrón del convertidor multinivel en cada instante, manteniendo el par y el flujo dentro de bandas ajustadas mientras minimiza conmutaciones innecesarias.

Del modelo por ordenador al banco de pruebas real

El equipo valida su enfoque en dos fases. Primero, construyen una simulación detallada de un motor de reluctancia conmutada de cuatro fases 8/6 alimentado por el nuevo convertidor y esquema de control en MATLAB/Simulink. Analizan velocidad, par y corrientes de fase bajo funcionamiento estable y cambios rápidos de velocidad, y comparan los resultados con un convertidor convencional. Luego montan un banco de pruebas de laboratorio de 2,2 kilovatios con módulos de potencia industriales, sensores y un codificador. Los experimentos incluyen crucero estable a 1000 revoluciones por minuto, cambios escalonados entre 400, 1400 y 2400 rpm, así como aceleración, frenado y perturbaciones de carga. En todas estas pruebas, la nueva unidad mantiene la velocidad con precisión mientras produce formas de onda de corriente notablemente más limpias y un par más suave.

Qué significan las mejoras en carretera

De forma cuantitativa, el convertidor y el control propuestos reducen el rizado de par hasta aproximadamente un 41,5 por ciento respecto al diseño convencional, rebajando los valores de rizado a aproximadamente entre el 16 y el 25 por ciento según velocidad y carga. Al mismo tiempo, el sistema muestra una respuesta más rápida a cambios en la demanda del conductor, sobreimpulsos limitados cuando se ajusta la velocidad y una eficiencia ligeramente mejor, todo ello operando a una frecuencia de conmutación fija y predecible. En términos cotidianos, esto significa que un vehículo eléctrico que use este tipo de accionamiento podría acelerar y desacelerar con mayor suavidad, generar menos ruido y vibración y someter menos a esfuerzo sus componentes. Aunque el nuevo hardware es más complejo y costoso que los convertidores estándar, los autores sostienen que su combinación de robustez, suavidad y precisión de control lo convierte en un candidato sólido para futuros sistemas de tracción eléctrica de alto rendimiento.

Cita: Deepak, M., Santhakumar, K., Sathiyasekar, K. et al. Performance-driven switched reluctance motor drive using multiport cascaded converter and advanced direct torque control scheme. Sci Rep 16, 12211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45141-9

Palabras clave: motor de reluctancia conmutada, motores para vehículos eléctricos, reducción de rizado de par, convertidor de potencia multinivel, control directo de par