Apuntes de Electrnica de Potencia

Rafael M. Lamaison Urioste

Captulo 1

Sistemas de Electrnica de Potencia

1.1 Introduccin

La Electrnica de Potencia (EP) es una de las ramas de la Electrnica que ms se ha

desarrollado en los ltimos tiempos. Esto se puede atribuir, entre otras cosas, a la invencin

del tiristor en el inicio de la dcada de los aos 60. Las limitaciones de tamao, fragilidad

mecnica y, sobretodo tiempos de desionizacin muy grandes, no permitieron a las vlvulas a

gas que se empleaban anteriormente ser competitivas en muchas aplicaciones frente, por

ejemplo, a grupos motor-generador.

Con el creciente nmero y variedades de circuitos y equipos electrnicos en diversas

reas de aplicacin, hoy en da la EP es muy importante puesto que es el campo de la

ingeniera responsable por la conversin de la forma de energa elctrica disponible en otra

adecuada a la carga a ser alimentada. En otras palabras, la EP es la disciplina que estudia los

sistemas de potencia, encargados de realizar la transformacin (procesado) de la energa

elctrica en sus distintas formas (corriente continua, corriente alterna).

La mayor flexibilidad y controlabilidad de los dispositivos electrnicos, hace que se apliquen para resolver procesos cada vez ms complejos. Un equipo electrnico de potencia consta fundamentalmente de dos partes, tal como se muestra en la figura 1.1:

1. Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia y

elementos pasivos, que liga la fuente primaria de alimentacin con la carga. En ste circuito no se utilizan resistencias debido a su elevada disipacin de potencia en forma de calor.

2. Un circuito de mando, que elabora la informacin proporcionada por el circuito de potencia y genera unas seales de excitacin que determinan la conduccin de los semiconductores controlados con una fase y secuencia conveniente.

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Fig.1. 1 Diagrama de bloques de un Sistema de Potencia

En la EP, el concepto principal es el rendimiento. El elemento de base no puede

trabajar en rgimen de amplificacin pues las prdidas seran elevadas, es necesario trabajar

en rgimen de conmutacin, siendo el componente de base el semiconductor quien trabaja

como interruptor. Este componente trabajando en conmutacin deber cumplir con las

siguientes caractersticas:

Tener 2 estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro

de baja impedancia (conduccin). Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y con pequea

potencia de control.

Ser capaz de soportar altas tensiones cuando est bloqueado y grandes

intensidades, con pequeas cadas de tensin entre sus extremos, cuando est

en conduccin.

Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.

As podemos definir la EP de la siguiente manera: Electrnica de Potencia es la parte

de la electrnica encargada del estudio de dispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos

para el procesamiento, control y conversin de la energa elctrica.

Podemos decir que se requieren sistemas electrnicos de potencia, por las siguientes razones, entre otras:

La forma en que se suministra la energa no coincide con la forma en que se

desea consumir. Por ejemplo, imagnese la alimentacin de un ordenador

CCiirrccuuiittoo ddee

PPootteenncciiaa

Alimentaci

n

Seales de gobierno

Circuito de disparo

y bloqueo (driver)

Circuito de

control

Circuito

Informacin

Carga

Energa Elctrica

de entrada

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personal, en el que sus circuitos necesitan alimentacin de tensin continua de

3V, 5V, 12V y 12V, pero se parte de la red monofsica alterna (220V, 50Hz).

Evidentemente es necesario disponer de un sistema electrnico que transforme

dicha energa para adaptarla a las necesidades del equipo que se est

alimentado.

En determinadas aplicaciones resulta rentable cambiar la forma de la energa,

por ejemplo, para transmitirla. Es el caso de la transmisin de energa en

corriente continua (CC) trabajando en alta tensin, conocida como transmisin

HVDC (High Voltage Direct Current).

No se puede hacer de otra forma. Supngase por ejemplo el sistema de

alimentacin de un satlite. ste est formado por bateras, las cuales pueden

cargarse mediante paneles solares. En este caso es necesario un sistema

electrnico que adapte dichas necesidades.

Se requieren nuevas prestaciones por parte de los consumidores de energa. Por

ejemplo, el caso de de la conversin de una tensin alterna CA fija que llega a

una industria proveniente directamente de una subestacin, en una tensin

variable en amplitud y frecuencia, necesaria para el control de la velocidad y

del accionamiento de motores de una correa transportadora.

Como se puede notar en este ltimo ejemplo, la EP es un rea multidisciplinar, ya que

para realizar la operacin citada se debe tener conocimiento de mquinas (motor CA), control

y de electrnica.

Por tanto, cuando se habla en EP, se habla necesariamente de:

POTENCIA refirindose a equipos para operacin y distribucin de potencia

elctrica.

ELECTRNICA refirindose a dispositivos de estado slido y circuitos para

procesamiento de seal para alcanzar los objetivos de control deseados.

CONTROL refirindose a las caractersticas estticas y dinmicas de sistemas

de lazo cerrado.

Es la Electrnica Industrial quien estudia la adaptacin de sistemas electrnicos de

potencia a procesos industriales. Siendo un sistema electrnico de potencia aquel circuito que

se encarga de controlar un proceso industrial, donde interviene un transvase y procesamiento

de energa elctrica entre la entrada y la carga, estando formado por varios convertidores,

transductores y sistemas de control, los cuales siguen hoy en da evolucionando y creciendo

constantemente.

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El campo de la Electrnica de Potencia puede dividirse en grandes disciplinas o

bloques temticos, la figura 1.2 muestra los bloques temticos que comprende la EP y nos

muestra su relacin con la electrnica Industrial.

Fig.1. 2 Diagrama de bloques de un Sistema de Potencia

Por tanto, el campo de aplicacin de la EP es muy amplio y se refiere principalmente

al dominio de la industria moderna, abarcando aplicaciones militares, industriales y

residenciales.

1.2 Aplicaciones de la electrnica de potencia

El consumo de la energa, en cifras aproximadas, puede dividirse en tres grandes

bloques:

El 65% est destinado a motores elctricos (57% de corriente alterna y el resto de corriente continua).

El 20% est dedicado a sistemas de iluminacin.

El resto es consumido por otros.

Actualmente el 50% de la energa es procesada o consumida por equipos electrnicos. Se prev que en el futuro, la mayora de la energa ser procesada o consumida por equipos electrnicos.

La faja de potencia que puede abarcar la EP es muy extensa pudiendo ser desde

algunos watts a varios megawatts. Las aplicaciones ms usuales de la Electrnica de Potencia,

entre otras, son:

Aplicaciones Industriales: control y accionamiento de motores CA y CC,

electrlisis, alarmas, tratamiento ultra-sonico, sistemas de alimentacin,

EElleeccttrrnniiccaa ddee PPootteenncciiaa

Electrnica de

Regulacin y

Convertidores

de Potencia

EElleeccttrrnniiccaa

IInndduussttrriiaall

Aplicaciones a

Procesos Industriales Componentes

Electrnicos de Potencia

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soldaje, control de iluminacin, alimentacin de motores para compresores,

bombas, ventiladores, inyectores, robtica, hornos de arco y de induccin,

alumbrado, lseres industriales, calentamiento por induccin, fundicin, etc. Aplicaciones de Transporte: control de traccin de vehculos elctricos,

cargadores de bateras, locomotoras elctricas, transporte urbano, metro,

electrnica del automvil.

Aplicaciones de Distribucin: transmisin de energa en CC (HVDC),

compensacin esttica de energa reactiva, correccin del factor de potencia,

filtros activos, fuentes de energa renovable (aerogeneradores, paneles solares),

sistemas de almacenamiento de energa (SMES).

Aplicaciones Aerospaciales: alimentacin de satlites y lanzaderas.

Alimentacin de aeronaves.

Aplicaciones Comerciales: calefaccin, ventilacin, aire acondicionado,

refrigeracin, alimentacin de ordenadores y equipos, sistemas de alimentacin

ininterrumpida.

Aplicaciones Domsticas: electrodomsticos, refrigeradores, congeladores, aire

acondicionado, cocinas, iluminacin, electrnica de consumo.

1.3 Convertidores estticos de energa

Los sistemas que procesan la energa suelen denominarse convertidores estticos de

energa o simplemente convertidores de energa. El adjetivo "estticos" se debe a que se trata

de circuitos que utilizan semiconductores y no mquinas elctricas para realizar la conversin,

dado que en los primeros aos de la Electrnica de Potencia la conversin de energa se

realizaba por convertidores electromecnicos y esencialmente por mquinas giratorias. Hoy

en da, estas tcnicas no son ms utilizadas ya que con el surgimiento de los convertidores

estticos se obtiene un desempeo ms adecuado en todos los sentidos.

Por tanto, se puede decir que un convertidor esttico de energa es un circuito

electrnico constituido por un conjunto de elementos estticos formando una red que

constituye un equipo de conexin y transmisin entre un generador y un receptor.

Un convertidor esttico de potencia ideal permite la transferencia de energa elctrica

del generador al receptor con un rendimiento unitario (sin prdidas).

La figura 1.3 muestra el diagrama de bloques de un convertidor esttico de energa

aprovechando una potencia de entrada (PI) para alimentar una carga que absorbe una potencia

de salida PO.

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CONVERTIDOR ESTTICO DE

ENERGA

POTENCIA ENTRADA

PI

POTENCIA SALIDA

PO

Control del

Convertidor

PRDIDAS

PP

++++

========

PO

O

I

O

PP

P

P

P

Fig.1. 3 Diagrama de bloques de un convertidor esttico de energa

Puesto que no es ideal, como es de esperar, se producen unas prdidas PP, aunque uno

de los objetivos de cualquier convertidor de potencia - bsicamente por razones energticas,

econmicas y ecolgicas - es transformar la energa con el mayor rendimiento () posible,. Para ello, los dispositivos empleados trabajarn como interruptores en conmutacin (cerrados

y abiertos) y se utilizarn bobinas y condensadores como elementos auxiliares. Excepto en

aplicaciones muy especficas se evita el empleo de resistencias y de dispositivos trabajando en

la zona lineal.

Por tanto, se puede decir que los elementos que constituyen los convertidores estticos

de potencia son fundamentalmente de dos tipos:

Interruptores estticos: Son elementos semiconductores de potencia que actan

como interruptores y son llamados de elementos no lineales.

Elementos reactivos: Son condensadores, inductores y transformadores

responsables por el almacenamiento y aislamiento (en el caso de los

transformadores) de la energa y filtrado de las tensiones y corrientes. Tambin

son los principales responsables por el peso, volumen y coste de los equipos.

Los tipos de conversin estudiados en sta rea son: corriente alterna, CA para

corriente continua, CC (fija o variable), CC para CA (con tensin y frecuencia variable), CC

(fija) para CC (variable) y CA (frecuencia fija) para CA (frecuencia variable) .

Cuando en funcionamiento, el convertidor esttico de potencia conecta, por intermedio

de sus interruptores, las mallas del sistema elctrico (generador o receptor) permitiendo un

flujo controlado de energa entre esos sistemas.

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En funcin de las formas de energa de la entrada y de la salida de un convertidor, podemos clasificarlos como:

a) Rectificador no controlado: Transforma la corriente alterna de tensin constante en

corriente continua de tensin constante. Formado por diodos, constituye montajes

irreversibles.

b) Rectificador controlado: Transforma la corriente alterna de tensin constante en

corriente continua de tensin variable. Formado por tiristores. El montaje puede ser

reversible, denominndose inversor no autnomo.

c) Reguladores de AC: Transforman la corriente alterna de tensin constante en

corriente alterna de tensin variable y de la misma frecuencia.

d) Cicloconvertidores: Reguladores de alterna o convertidores directos alterna/alterna

de distinta frecuencia.

e) Ondulador autnomo o inversor: Transforman una corriente continua en corriente

alterna de frecuencia fija o variable.

f) Convertidor CC/CC o Troceador: transforma corriente continua de tensin constante

en corriente continua de tensin variable.

Estos convertidores son denominados convertidores directos de energa, pues utilizan

una nica etapa de potencia para la conversin. Cuando se emplea ms de una etapa de

potencia para realizar una conversin, entonces se habla de convertidores indirectos de

energa, como es el caso de los convertidores indirectos de tensin y frecuencia. La figura 1.4.

muestra los diferentes tipos de convertidores de acuerdo a su clasificacin.

Convertidor

CC/CC

Rectificador

Inversor / Ondulador

F1 F2 Cicloconvertidor

F1 = F2

Regulador de CA

Convertidor indirecto de

frecuencia

Convertidor

indirecto de tensin

CC V1

CA V3, F1

CC V2

CA V3, F1

Figura 1.4. Tipos de convertidores estticos de energa

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As, se puede concluir que para un buen entendimiento del funcionamiento de los

convertidores estticos se hace necesario inicialmente el conocimiento tanto de los

interruptores como tambin de los fenmenos de conmutacin entre ellos.

Los tipos de dispositivos semiconductores de potencia usados como interruptores

estticos son: diodos, tiristores (SCR, triac y GTO) y transistores (bipolares, MOSFET e

IGBT). Para cada dispositivo (interruptor) se estudiar principalmente las caractersticas

estticas.

Actualmente con el creciente desarrollo de tecnologas de fabricacin de

semiconductores, se consigue alcanzar altos ndices de capacidad de operacin a alta potencia

(por encima de 2 MW) y frecuencia (velocidad de conmutacin) por encima de 100 kHz. El

trabajar a alta frecuencia hace con que se reduzca el tamao fsico de los elementos reactivos

reduciendo as el peso, el volumen y tambin el coste del equipo.

Otro factor importante que ha ayudado al aumento de la densidad de potencia, ha sido

la invencin de nuevos componentes (como por ejemplo el IGBT) y la evolucin en trminos

de circuitos integrados dedicados a realizar la conmutacin de los dispositivos

semiconductores. Estos hechos son consecuencia de la demanda de los convertidores estticos

en el mercado, exigiendo, cada vez ms investigacin y as una evolucin en el campo de la

electrnica de potencia.

1.4 Bibliografa

- Power Electronics: Converters, Applications and Design, Mohan, Undeland y Robbins, John Wiley & Sons, 2 Ed, Nueva York, 1995.

- Eletrnica de Potncia, J. A. Pomilio, Universidade Estadual de Campinas, SP - Brasil.

- Introduccin a las etapas de potencia, J. I. Artigas y A. Sanz, Universidad de Zaragoza, IEC.

- Introduccin a los sistemas de potencia, I.T.T.(S.E), Universitat de Valncia..

- Electrnica de Potencia, D. W. Hart, Valparaso University, Valparaso Indiana. Prentice Hall.