La búsqueda de alternativas más eficientes para la movilidad eléctrica impulsa el desarrollo de nuevas tecnologías capaces de optimizar la conversión y el uso de la energía. En esta línea, una investigación desarrollada por Aldo Marcel Rizo Casadiegos, estudiante de la Maestría en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Industrial de Santander (UIS) avanzó en el diseño y control de un sistema de movilidad eléctrica basado en un inversor multinivel de puentes H en cascada, con semiconductores de carburo de silicio (SiC), destinado a alimentar un motor de imanes permanentes superficiales.
El proyecto realizado entre enero y julio de 2026, hizo parte de una pasantía de investigación en la Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR), en Canadá. El trabajo parte de uno de los principales desafíos de los sistemas de conversión de energía: mejorar la calidad de la potencia que entrega el inversor al motor. En los sistemas convencionales suelen emplearse inversores de tres niveles que requieren filtros pasivos para transformar la señal de salida en una onda cuasi sinusoidal, característica necesaria para el funcionamiento adecuado de máquinas eléctricas como los motores de imanes permanentes.
“El problema que se buscó solucionar en esta pasantía fue referente a la mejora en calidad de la potencia entregada por el inversor. Convencionalmente, se utilizan inversores de onda cuadrada de tres niveles, los cuales requieren de filtros pasivos para poder entregar ondas quasi sinusoidales, que son las requeridas por máquinas como los motores de imanes permanentes. Ahora, un inversor multinivel puede una señal más cercana a la sinusoidal gracias a la mayor cantidad de niveles que puede alcanzar gracias a su estructura, mejorando la calidad de la potencia y en algunos casos eliminando la necesidad de una etapa de filtrado pasivo entre el inversor y la máquina”, explicó Rizo Casadiegos.
La propuesta desarrollada apuesta por una arquitectura multinivel que permite generar una señal de tensión más cercana a una onda sinusoidal. Para ello, se implementaron dos puentes H en cascada por fase, configuración que permite obtener cinco niveles de tensión a la salida del inversor, frente a los tres niveles de una configuración convencional. Al analizar la tensión de línea entre fases, el sistema alcanza nueve niveles, lo que contribuye a mejorar la calidad de la onda y, potencialmente, a reducir o eliminar la necesidad de una etapa adicional de filtrado pasivo entre el inversor y el motor.
Esta característica representa una de las principales ventajas de los inversores multinivel: al incrementar el número de niveles de tensión, es posible aproximarse de manera más precisa a una señal sinusoidal, reduciendo la distorsión y favoreciendo un funcionamiento más eficiente de la máquina eléctrica.
Una conversión más eficiente
A esta arquitectura se suma el uso de semiconductores de carburo de silicio (SiC), una tecnología que presenta ventajas frente a los dispositivos tradicionales fabricados con silicio. En aplicaciones de electrónica de potencia, estos materiales permiten desarrollar equipos con menores pérdidas de energía, menor generación de calor y mayores capacidades de operación en tensión.
En el sistema desarrollado, los dispositivos SiC fueron utilizados en los puentes H que conforman el inversor. Su incorporación abre la posibilidad de contar con sistemas de conversión más compactos y eficientes, características de especial interés para aplicaciones de movilidad eléctrica, donde el peso, el tamaño y el aprovechamiento de la energía son factores determinantes.
“La ventaja de utilizar los puentes H en cascada reside en la posibilidad de poder obtener más niveles de tensión a la salida del inversor y por tanto una mejor calidad de onda. En este caso se usó una configuración de solo dos puentes H en cascada por fase, lo que permitía tener a la salida cinco niveles en la señal de tensión en lugar de los tres convencionales, y al analizar la señal de tensión de línea entre fases se obtenían nueve niveles”, precisa Rizo Casadiegos.
El proyecto también incorporó un algoritmo de control de potencia reactiva con limitación de corriente, diseñado de acuerdo con modos de operación establecidos en estándares como el IEEE 1547. Esta estrategia permite controlar la potencia reactiva que el inversor puede inyectar o absorber cuando se encuentra conectado a una red eléctrica, contribuyendo a mejorar sus parámetros de operación en el punto de conexión.
La estrategia propuesta busca, además, simplificar el sistema de control al reducir determinados elementos y, con ello, disminuir el costo computacional del algoritmo. No obstante, los resultados obtenidos deberán complementarse con análisis posteriores que permitan comparar de manera más exhaustiva estas ventajas frente a otras alternativas de control.
Según el estudiante investigador, eliminar estos elementos en el sistema de control ayuda a disminuir el costo computacional y la simplicidad del algoritmo. Aunque aún se requiere de una comparación y análisis más exhaustivo que permita apreciar y ponderar estas ventajas.
Control para aprovechar al máximo el motor
Otro de los componentes fundamentales del desarrollo fue la estrategia de control del motor de imanes permanentes superficiales. El diseño tomó como referencias técnicas convencionales como el control de campo orientado, el control directo de torque y el control sin sensores.
La estrategia busca maximizar la corriente de cuadratura, relacionada directamente con la generación de torque de la máquina, mientras procura llevar a cero la corriente de eje directo, debido a que, en este tipo de motores, esta no contribuye de manera efectiva a la producción de torque.
De esta manera, el sistema busca aprovechar de forma más eficiente la energía suministrada al motor. A esta estrategia se integró, además, una técnica de reducción de armónicos mediante una modulación basada en tablas precargadas en una FPGA, dispositivo que permite ejecutar de manera rápida las órdenes de conmutación del inversor.
Los resultados obtenidos muestran señales de tensión y corriente con niveles de distorsión inferiores al 8 %, valor establecido como referencia por los estándares relacionados con la distorsión armónica, entre ellos el IEEE 519. Estos resultados evidencian el potencial de la propuesta para avanzar hacia una implementación aplicada a sistemas de movilidad eléctrica.
Un desarrollo con potencial de aplicación
Aunque el sistema todavía requiere nuevas etapas de investigación y desarrollo, los resultados obtenidos constituyen una base para avanzar hacia un prototipo funcional de movilidad eléctrica. Entre los próximos retos se encuentra robustecer la estrategia de control y establecer un rango de operación acorde con las características de la aplicación de movilidad que se pretenda desarrollar.
También será necesario realizar previamente una optimización de los ángulos de conmutación de manera offline, con el propósito de generar las tablas de conmutación que posteriormente serán cargadas en la FPGA. De forma paralela, deberá diseñarse el prototipo mecánico que permita transformar la potencia eléctrica proporcionada por el sistema en potencia mecánica para la tracción.
Con estos avances, Rizo Casadiegos plantea una alternativa tecnológica que integra electrónica de potencia, semiconductores de nueva generación, estrategias avanzadas de control y motores eléctricos, con miras a contribuir al desarrollo de sistemas de movilidad eléctrica más eficientes y con mejores características de calidad de energía.
Más que un ejercicio de laboratorio, el desarrollo representa un punto de partida para continuar trabajando en la integración de estas tecnologías y llevar el sistema hacia una aplicación de movilidad eléctrica capaz de aprovechar de manera más eficiente la energía disponible.
Pasantía internacional
Con esta investigación, Aldo Marcel realizó una pasantía de investigación en la Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR), en Canadá. Esto también le permitió participar en el IEEE PES General Meeting 2026, realizado en Montreal, donde el trabajo “A Reactive Power Control Algorithm with Current Limitation in the abc-Frame for Inverter-Based Distributed Energy Resources”.
La investigación fue desarrollada junto con los profesores María A. Mantilla y Juan M. Rey, del Grupo de Investigación en Sistemas de Energía Eléctrica (GISEL) de la E3T-UIS.
