La electrónica de potencia,una tecnología estratégicaEl actual escenario global de la energía ha convertido a laelectrónica de potencia en una tecnología estratégica, pues,aplicada al sistema de procesamiento de la energía, posibilitaráasegurar la sostenibilidad de nuestro crecimiento.

E l desarrollo tecnológico ex-perimentado por la electró-nica de potencia durante los

últimos cuarenta años la ha consoli-dado en la actualidad como una he-rramienta indispensable para el fun-cionamiento de todos los ámbitos denuestra sociedad, tanto el industrialcomo el de servicios y el doméstico.Esta posición se ha conseguido conla continua aportación, de forma ca-llada y no reconocida por la sociedad,de los técnicos especializados en elec-trónica de potencia. Esta comuni-dad científica se ha visto obligada apensar y trabajar en un entorno li-mitado, con un escenario pequeño,siempre oscurecido por el resplandor

social que se ha brindado a las Tec-nologías de la Información y las Co-municaciones, las famosas TIC quehan impuesto el desarrollo social delos últimos años del siglo XX, lle-vándonos hacia este mundo más ce-rrado y uniforme que conocemoscomo “globalización”.

La indeferencia mediática y políti-ca hacia la electrónica de potencia hadificultado la incorporación de estosconocimientos a nivel de sistemas.Sus ingenieros han tenido que redu-cir su atención a los niveles de com-ponentes y equipos. Estos niveles,en los que se han realizado muy im-portantes trabajos de investigación ydesarrollo, se pueden considerar ple-

namente maduros y su evolución, es-tancada, pues no existen perspecti-vas de nuevos descubrimientos oaportaciones que posibiliten un sal-to tecnológico. Es en la integracióncon sistemas donde residen las ma-yores oportunidades tecnológicas yde crecimiento futuro de la electró-nica de potencia.

Integración en sistemasEstamos viviendo una era de trepi-dantes innovaciones tecnológicas.Nunca antes en la historia de la hu-manidad el ritmo de asimilación so-cial de las nuevas aportaciones de laciencia y la tecnología había sido tanacentuado como en la época que es-

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Teoría de circuitos

Electrónicade potencia

Física de estado sólido Electromagnetismo

Teoría de sistemasy control

Comunicacionesindustriales

Control digital con micro-controladores y DSP

Electroquímica

Procesamiento analógicoy digital de la señal

Sistemas eléctricosde potencia

Máquinas eléctricas yconvertidores estáticos

Modelización ysimulación Transmisión del calor

Automatización

Instrumentación demedida y sensores

Compatibilidadelectromagnética

Programación enensamblador y C

Electrónica analógicay digital

n La electrónica de potencia como una discicplina interdisciplinar.

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tamos viviendo, con los ordenadorespersonales, la telefonía móvil, la di-gitalización de la información y el au-tomóvil. La electrónica de potenciase ha mantenido al margen de estefenómeno. Hasta el momento, no hasido una tecnología que haya im-puesto nuevos desarrollos. La de-manda del mercado es la que estirade las tecnologías y la electrónica depotencia no ha sido una tecnologíaempujada por el mercado; es unatecnología posibilitadora, es decir,juega solamente un papel de sopor-te al desarrollo de las otras tecnolo-gías. Si en el futuro se pretende al-gún papel protagonista en estesentido, es necesario entender cómofuncionan los sistemas tecnológicosy qué aportaciones puede realizar laelectrónica de potencia. La deman-da actual consiste en la integraciónde la electrónica de potencia en el sis-tema de procesado de la energía. Hayque dejar de hacer electrónica depotencia para pasar a hacer proce-sado de la potencia.

Nuestra sociedad industrial ha pa-sado por diferentes etapas. El sigloXIX, durante el cual se produjo larevolución industrial impulsada porla máquina de vapor, fue un siglo cla-ramente mecánico, todavía más conla irrupción del automóvil al final dela centuria. Estabamos en la era dela máquina. La introducción de lasmáquinas eléctricas junto con la dis-tribución de la energía eléctrica ini-ció la nueva era eléctrica, que ca-racterizó la primera mitad del sigloXX. Con la invención del transistoren el año 1948 se inició la llamada“primera revolución electrónica”, quenos introdujo en la era electrónica du-rante la cual asistimos a la apariciónde los circuitos integrados, ordena-dores, comunicaciones, informática,Internet y la automatización, que nosllevaron hacia la sociedad de la in-

formación que produjo el fenómenode la llamada “globalización”. Mien-tras tanto, con la invención del tiris-tor en 1956 se produjo de forma si-lenciosa y lenta la llamada poralgunos “segunda revolución elec-trónica”, que culmina con la madu-rez de la electrónica de potencia enlos albores del siglo XXI. Es impor-tante destacar que la electrónica depotencia esencialmente consiste enuna mezcla de las tecnologías im-pulsoras de la era mecánica, de laera eléctrica y de la era electrónica.

Nos encontramos ante una nuevatecnología realmente interdiscipli-nar.

Nuestros políticos consideran quepara asegurar la sostenibilidad de lasociedad del bienestar durante el si-glo XXI es necesario asegurar la ex-

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La electrónica de potencia y las energíasalternativas

L a demanda de sistemas de generación de energía eléctrica basados enfuentes de energía alternativas y renovables ha sufrido un crecimien-

to espectacular en todo el mundo, a razón de, aproximadamente, un 25%anual. La concienciación de la humanidad en aspectos tan importantes comola contaminación atmosférica y sus efectos hacen prever que esta deman-da seguirá incrementándose en el futuro. Además, la demanda global deelectricidad en el mundo crece a muy alta velocidad y, aunque los paísesmás desarrollados están haciendo especial énfasis en la eficiencia energé-tica para no derrochar energía, el crecimiento de la demanda es mucho máselevado que los ahorros energéticos conseguidos. Por lo tanto, se debenfomentar dos líneas de investigación, a saber, aumentar más aún, si cabe,la eficiencia energética de todos los equipos consumidores, y por otrolado, investigar y aplicar la generación en base a fuentes de energía reno-vables y alternativas.

Para que el crecimiento del mercado de las energías alternativas crezcamás rápidamente se debe conseguir que el coste de producción de ener-gía con estas fuentes sea inferior al mínimo coste de producción median-te combustibles fósiles. En lo que respecta a la energía eólica, esto ya escierto hoy en día, pero en referencia a la energía solar térmica y a la solarfotovoltaica, y aunque los costes de producción de éstas han bajado enor-memente durante los últimos años, todavía están por encima del coste deproducción con combustibles fósiles. Pero si la tendencia futura del costede producción evoluciona como lo ha hecho durante los últimos años, laenergía solar térmica será plenamente competitiva en un par de años y lasolar fotovoltaica, en menos de 10 años.

La electrónica de potencia es clave en prácticamente todas las tecnolo-gías de generación con energías alternativas. La red eléctrica opera a unafrecuencia fija (50 Hz en Europa) y con unas tensiones que deberían sersinusoidales y con el valor eficaz que corresponda (230 V en ambiente do-méstico). La generación de energía eléctrica tradicional consiste en hacergirar el eje de una máquina eléctrica rotativa (generador) a velocidad fijapara conseguir generar tensión a la frecuencia de la red. Las fuentes deenergía alternativa generan corriente continua o bien corriente alterna defrecuencia variable y es en todos estos casos donde el uso de la electróni-ca de potencia se hace imperativo. La conversión de la energía eléctricapara conseguir los 50 Hz y la forma sinusoidal se debe realizar con con-vertidores estáticos de energía (electrónica de potencia) diseñados paraoperar correctamente y con la máxima eficiencia posible.

La capacidad de instalación de milesde MW (Megawatts) de generación mediante energías alternativas haráque se desarrollen de una forma es-pectacular los convertidores estáti-cos de energía eléctrica, en particularaumentando sus prestaciones y fun-cionalidades, y los componentes de laelectrónica de potencia en general ha-ciéndolos más rápidos y con menorespérdidas.

EólicaDurante la última década, la generacióna partir de la energía eólica se ha de-sarrollado de una manera impresio-nante, especialmente en el norte deEuropa. Los aerogeneradores empe-zaron siendo de unos pocos kilowatts y hoy en día ya se están desarrollandomáquinas que superan los 4 MW. Este desarrollo tan significativo, obvia-mente, se ha podido producir gracias a los convertidores estáticos de ener-gía eléctrica. El futuro de la energía eólica pasa por tener unos converti-dores estáticos de mayor potencia y de mayor densidad de potencia (máspequeños) y, además, se debe aumentar la robustez y la fiabilidad de losaerogeneradores y, en conjunto, de los parques de generación eólica. Seespera que se pueda llegar en pocos años a aerogeneradores de hasta 10MW (orientados a parques eólicos situados en el mar) basados en gene-radores de imanes permanentes y con la ayuda de convertidores estáticosde energía de unos 3 o 4 kV de tensión, y todo ello sin aumentar el volu-men del equipo. Una gran ayuda será la eliminación del tren de engrana-jes que hoy en día existe. Dicha eliminación se producirá gracias a la elec-trónica de potencia y cabe destacar el aumento de la eficiencia energética,ya que es bien conocido que los trenes de engranajes tienen un rendimientoque dista bastante de lo deseable. Por otra parte, la eliminación de los en-granajes supondrá una disminución de peso importante, pudiendo reper-cutir en el diseño de la torre del aerogenerador.

FotovoltaicaA pesar de que uno de los principales inconvenientes de esta tecnologíaes su elevado coste, en 2002 se vendieron cerca de 400 MW de módulosfotovoltaicos en todo el mundo. Nuevas tecnologías de fabricación y la apli-

Hay que dejar de hacerelectrónica de potencia parapasar a hacer “procesado dela potencia”.

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celencia en el conocimiento y la ges-tión en tres vectores estratégicos: elagua, la movilidad y la energía. Elagua para la vida, la movilidad y laenergía para el bienestar. La elec-trónica de potencia, con su esenciainterdisciplinar, está destinada a de-sempeñar un importante papel en laconsecución de estos objetivos. Laenergía ha sido siempre necesariapara asegurar el continuo progreso dela humanidad. Desde el inicio de larevolución industrial, el consumo glo-bal de energía se ha ido incremen-

tando para acelerar el nivel de bie-nestar de las sociedades desarrolla-das. De hecho, el consumo de ener-gía por cápita se ha tomado comoindicador de la prosperidad econó-mica de una comunidad. Este mo-delo ha llevado a situaciones de des-pilfarro energético propiciadas por elbajo precio de la energía. Por ejem-plo, se podría considerar que Esta-dos Unidos dispone del mejor nivelde vida mundial, pues con sólo el 5%de la población mundial consume el25% de la energía total. En cambio,

Japón, con tan sólo el 2% de la po-blación mundial, consume solamen-te el 5% de la energía total. En elpaís nipón, el precio de la energía estípicamente cuatro veces más caraque en Estados Unidos. El preciobajo de la energía induce a su des-pilfarro; se estima que el 30% de laenergía consumida en Estados Uni-dos es directamente disipada en pér-didas por la negligencia de las insti-tuciones y de los consumidores.

Ahorro energéticoDesafortunadamente, la contamina-ción ambiental provocada por el in-cremento de energía consumida esuno de los temas que más preocupanactualmente por los cambios climá-ticos que provoca, como el calenta-miento global, el efecto directo sobrela salud por la disminución de la capade ozono, la contaminación urbana yla deforestación originada por la llu-via ácida. Este modelo de desarrollobasado en el despilfarro energéticono es sostenible, en primer lugar porlos daños irremediables que produ-ce sobre el planeta y, en segundo lu-gar, porque la mayor parte de ener-gía consumida es de origen fósil ylas reservas llegarán a agotarse.

La electrónica de potencia puedecontribuir al ahorro energético me-diante la optimización del consumotanto en la industria como en los ser-vicios y en las viviendas particula-res. La regulación de la velocidad delos motores eléctricos es una de lasaplicaciones más utilizadas de la elec-trónica de potencia, habiendo supe-rado el estricto marco industrial yhabiendo llegado actualmente a lasneveras, equipos de aire acondicio-nado, lavadoras y ascensores. La elec-

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La capacidad de instalación de milesde MW (Megawatts) de generación mediante energías alternativas haráque se desarrollen de una forma es-pectacular los convertidores estáti-cos de energía eléctrica, en particularaumentando sus prestaciones y fun-cionalidades, y los componentes de laelectrónica de potencia en general ha-ciéndolos más rápidos y con menorespérdidas.

EólicaDurante la última década, la generacióna partir de la energía eólica se ha de-sarrollado de una manera impresio-nante, especialmente en el norte deEuropa. Los aerogeneradores empe-zaron siendo de unos pocos kilowatts y hoy en día ya se están desarrollandomáquinas que superan los 4 MW. Este desarrollo tan significativo, obvia-mente, se ha podido producir gracias a los convertidores estáticos de ener-gía eléctrica. El futuro de la energía eólica pasa por tener unos converti-dores estáticos de mayor potencia y de mayor densidad de potencia (máspequeños) y, además, se debe aumentar la robustez y la fiabilidad de losaerogeneradores y, en conjunto, de los parques de generación eólica. Seespera que se pueda llegar en pocos años a aerogeneradores de hasta 10MW (orientados a parques eólicos situados en el mar) basados en gene-radores de imanes permanentes y con la ayuda de convertidores estáticosde energía de unos 3 o 4 kV de tensión, y todo ello sin aumentar el volu-men del equipo. Una gran ayuda será la eliminación del tren de engrana-jes que hoy en día existe. Dicha eliminación se producirá gracias a la elec-trónica de potencia y cabe destacar el aumento de la eficiencia energética,ya que es bien conocido que los trenes de engranajes tienen un rendimientoque dista bastante de lo deseable. Por otra parte, la eliminación de los en-granajes supondrá una disminución de peso importante, pudiendo reper-cutir en el diseño de la torre del aerogenerador.

FotovoltaicaA pesar de que uno de los principales inconvenientes de esta tecnologíaes su elevado coste, en 2002 se vendieron cerca de 400 MW de módulosfotovoltaicos en todo el mundo. Nuevas tecnologías de fabricación y la apli-

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Esencialmente, la electrónicade potencia consiste en unamezcla de las tecnologíasimpulsoras de las erasmecánica, eléctrica yelectrónica. Nosencontramos ante una nuevatecnología realmenteinterdisciplinar.

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trónica de potencia es también latecnología clave para poder poneren marcha todos los recursos de ener-gías renovables, como son la eólica yla fotovoltaica, junto con los nuevossistemas de almacenamiento de ener-gía, como pueden ser las pilas decombustible, baterías, supercon-densadores, volantes de inercia y bo-binas superconductoras. En el cam-po de la movilidad, la electrónica depotencia es la tecnología base del co-che eléctrico y está aportando gran-des innovaciones a los transportesferroviarios, que deberán experi-mentar un gran desarrollo futuro endetrimento del transporte privadoque colapsa las ciudades y las carre-teras. El tratamiento, depuración,bombeo, distribución y desaliniza-ción del agua también es una de lasprincipales aplicaciones de la rama in-dustrial de la electrónica de poten-cia. Finalmente, todas las anterioresaplicaciones –presentes y futuras–de la electrónica de potencia estánenlazadas mediante la red de distri-bución y transporte de la energíaeléctrica. En el control y máxima efi-ciencia de esta red también, la elec-trónica de potencia también empie-za a jugar un papel protagonista.

Procesar inteligentemente laenergíaEs evidente que existe una oportu-nidad para que la electrónica de po-tencia amplíe su protagonismo ocu-pándose del procesado inteligente yeficiente de la energía en cualquiertipo de aplicación. Los sistemas depotencia constituyen una de las apli-caciones que ofrecen mayores posi-bilidades.

Otra de las aplicaciones intere-santes se encuentra en los sistemasmecatrónicos. Durante el siglo XXse desarrollaron y aplicaron las tec-nologías electromecánicas; duranteel siglo XXI estas tecnologías seránsustituidas por la mecatrónica. Seempieza a considerar a la electróni-ca de potencia como la tecnologíaque permitirá el desarrollo sosteni-ble durante el siglo XXI. ¿Se ha ini-ciado la nueva era de la electrónicade potencia? [1, 2, 3, 4]

La electrónica de potencia es un

área de la ingeniería eléctrica alta-mente interdisciplinar, pues en ellase aplican conocimientos y tecnolo-gías relacionadas con las siguientesdisciplinas: teoría de circuitos, físicade estado sólido, electromagnetis-mo, teoría de sistemas y control, co-municaciones industriales, controldigital con microcontroladores y DSP,

programación en ensamblador y C,electrónica analógica y digital, pro-cesamiento analógico y digital de laseñal, sistema eléctrico de potencia,máquinas eléctricas y convertidoresestáticos, modelización y simulación,transmisión del calor y electroquí-mica. Todas estas materias forman laparte electrónica de la mecatrónica,hecho que reafirma todavía más elelevado protagonismo a la que estádestinada la electrónica de poten-cia. Esta importancia de la electró-nica de potencia se debe ver refleja-da en los planes de estudiosuniversitarios. Los departamentos

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cación de nuevos materiales semiconductores están produciendo una dis-minución de los costes con una eficiencia del mismo orden (14% al 20%en el mejor de los casos).

Actualmente está despertando interés el estudio de la producción de pa-neles fotovoltaicos basados en materiales orgánicos. La tecnología es to-talmente diferente a los paneles basados en semiconductores y, por tan-to, aún se está en una fase inicial que requiere de mucho estudio y desarrollo.

Sea cual sea la tecnología de los paneles fotovoltaicos, existe un elementoesencial llamado ondulador. Éste no deja de ser un convertidor estático deenergía eléctrica en forma de corriente continua a energía eléctrica en for-ma de corriente alterna sinusoidal de 50 Hz. Los onduladores de pequeñapotencia (1 a 5 kW) acostumbran a ser monofásicos y los de cierta poten-cia (> 25 kW), trifásicos. Una de las maneras de almacenar energía eléc-trica asociada a los sistemas de generación fotovoltaica aislados de la redes mediante baterías. Las plantas fotovoltaicas que no están aisladas de la

red acostumbran a incorporar un sistema de baterías para almacenaje deenergía eléctrica para tener cierta autonomía en caso de ausencia de redy esto implica que la electrónica de potencia que constituye el inversor debe,también, incorporar un convertidor estático para la carga y mantenimien-to de las baterías, así como cierta inteligencia y poder de decisión para sa-ber conmutar de la red a las baterías (en ausencia de red) y viceversa encuanto la red esté presente y estable.

Células de combustibleLas células de combustible representan una de las tecnologías de genera-ción más prometedoras y más eficientes (de hasta el 70%). Su desarrollose ha realizado mayoritariamente gracias a la industria del automóvil. Ac-tualmente, tanto los gobiernos como las industrias han iniciado proyectosde investigación ambiciosos para conseguir tecnologías de células de com-bustible viables económicamente hablando. Una de las grandes ventajases su reversibilidad y gran capacidad de almacenaje de energía en formade combustible, como por ejemplo el hidrógeno.

Existen varias tecnologías de células de combustible, pero desde el pun-to de vista de la interconexión con la red eléctrica son muy similares a lospaneles fotovoltaicos. La diferencia significativa que existe entre estos dossistemas de generación radica en que las células de combustible tienen uncomportamiento diferente durante los transitorios, es decir, su fiabilidady su funcionamiento frente a cambios bruscos y grandes de carga es po-bre. Principalmente por esta razón se piensa en las células de combusti-ble como una generación de base que se debe complementar con los otrostipos de generación según la demanda existente en cada instante. El com-portamiento transitorio de las células de combustible se puede mejorar conel almacenamiento de energía (mediante, por ejemplo, supercondensado-res) y por descontado, la electrónica de potencia asociada.

Una de las características de las células de combustible es que deben fun-cionar a cierta temperatura (desde 100 ºC hasta 1000ºC, dependiendo de latecnología) y es por esta razón por la que se entiende que son un comple-mento ideal en centrales de cogeneración, pues se podría aprovechar el com-bustible sobrante de las células de combustible para alimentar una turbinade gas y aprovechar el calor sobrante de ésta para mantener la temperatu-ra de las células de combustible. Todas estas consideraciones se deben re-alizar sin perder de vista que el papel realmente importante lo juegan los con-vertidores estáticos de energía eléctrica, y su complejidad, características yfuncionalidad van aumentando conforme a su número y a la capacidad deinteracción debida a su conectividad e inteligencia distribuida.

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Momento de la botadura en el puerto de Palamós del sistema de generación de ener-gia eléctrica a partir de las olas del mar desarrollado por la empresa Arlas Invest, S.L.de Barcelona. La electrónica de potencia necesaria para la generación de la energíay su control han sido desarrollados por el CITCEA-UPC, centro de innovación tecno-lógica de la Universidad Politècnica de Catalunya.

Una de las aplicaciones queofrece mayores posibilidadesa la electrónica de potenciaes la mecatrónica.

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de ingeniería eléctrica deben aban-donar la excesiva especialización tra-dicional en temas exclusivos de suárea, porque de lo contrario los nue-vos ingenieros no podrán abordar lasnuevas necesidades de los sistemasde potencia. En los nuevos planesde estudios deben aparecer titula-ciones de ingeniería en energía y enmecatrónica.

Ahorrar entre un 15% y un 20%de consumo eléctricoDonde se hace más patente la granimportancia actual de la electrónicade potencia es en el ahorro de ener-

gía de los equipos eléctricos medianteun uso más eficiente de la electrici-dad. Se estima que aproximadamen-te se puede ahorrar entre un 15% yun 20 % del consumo eléctrico me-diante una aplicación extensiva de laelectrónica de potencia. Aproxima-damente del 60% al 65% de la elec-tricidad generada es consumida pormotores eléctricos y la mayoría de és-tos accionan bombas y ventiladores.De nuevo, la eficiencia energética dela mayoría de estas bombas y venti-ladores puede beneficiarse del con-trol a velocidad variable. Tradicio-nalmente, la variación de flujo de los

fluidos impulsados por estos equiposse consigue mediante válvulas obtu-radoras, mientras que los motores deinducción siguen girando a su velo-cidad fija nominal. Se puede demos-trar que el funcionamiento de los mo-tores y válvulas totalmente abiertascon velocidad variable puede ahorrarhasta el 30% de energía en condicio-nes de carga ligera. El funcionamientode los motores de inducción con pocacarga, como es el caso de las escale-ras automáticas, se puede optimizarhaciéndole trabajar a flujo de excita-ción magnética reducido, con lo quese consiguen ahorros del 20%. Comoel precio de la electrónica de poten-cia sigue disminuyendo, es posibleinstalar arrancadores de frecuenciavariables en la alimentación de mo-tores aunque sea en aplicaciones develocidad constante, permitiendo pro-gramar el control del flujo de excita-ción del motor, con el consecuenteahorro energético.

Otro ejemplo de aplicación son losaccionamientos a velocidad variableen función de la carga de los sistemasde aire acondicionado y bombas decalor, que pueden ahorrar hasta el30% de energía en comparación conlos controles termostáticos conven-cionales. Es interesante destacar que,debido al elevado precio de la ener-gía en el Japón, el 70% de los siste-mas de aire acondicionado domésti-cos usan accionamiento a velocidadvariable para ahorrar energía. Estasmismas tendencias se están produ-ciendo en otros electrodomésticos,como neveras y lavadoras. Se estimaque el 20% de la energía generada seconsume en la iluminación. Es de so-bras conocido que las lámparas fluo-rescentes tienen un rendimientoenergético tres veces más elevadoque las de incandescencia. La utili-zación de reactancias de electrónica

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red acostumbran a incorporar un sistema de baterías para almacenaje deenergía eléctrica para tener cierta autonomía en caso de ausencia de redy esto implica que la electrónica de potencia que constituye el inversor debe,también, incorporar un convertidor estático para la carga y mantenimien-to de las baterías, así como cierta inteligencia y poder de decisión para sa-ber conmutar de la red a las baterías (en ausencia de red) y viceversa encuanto la red esté presente y estable.

Células de combustibleLas células de combustible representan una de las tecnologías de genera-ción más prometedoras y más eficientes (de hasta el 70%). Su desarrollose ha realizado mayoritariamente gracias a la industria del automóvil. Ac-tualmente, tanto los gobiernos como las industrias han iniciado proyectosde investigación ambiciosos para conseguir tecnologías de células de com-bustible viables económicamente hablando. Una de las grandes ventajases su reversibilidad y gran capacidad de almacenaje de energía en formade combustible, como por ejemplo el hidrógeno.

Existen varias tecnologías de células de combustible, pero desde el pun-to de vista de la interconexión con la red eléctrica son muy similares a lospaneles fotovoltaicos. La diferencia significativa que existe entre estos dossistemas de generación radica en que las células de combustible tienen uncomportamiento diferente durante los transitorios, es decir, su fiabilidady su funcionamiento frente a cambios bruscos y grandes de carga es po-bre. Principalmente por esta razón se piensa en las células de combusti-ble como una generación de base que se debe complementar con los otrostipos de generación según la demanda existente en cada instante. El com-portamiento transitorio de las células de combustible se puede mejorar conel almacenamiento de energía (mediante, por ejemplo, supercondensado-res) y por descontado, la electrónica de potencia asociada.

Una de las características de las células de combustible es que deben fun-cionar a cierta temperatura (desde 100 ºC hasta 1000ºC, dependiendo de latecnología) y es por esta razón por la que se entiende que son un comple-mento ideal en centrales de cogeneración, pues se podría aprovechar el com-bustible sobrante de las células de combustible para alimentar una turbinade gas y aprovechar el calor sobrante de ésta para mantener la temperatu-ra de las células de combustible. Todas estas consideraciones se deben re-alizar sin perder de vista que el papel realmente importante lo juegan los con-vertidores estáticos de energía eléctrica, y su complejidad, características yfuncionalidad van aumentando conforme a su número y a la capacidad deinteracción debida a su conectividad e inteligencia distribuida.

El funcionamiento de losmotores y válvulastotalmente abiertas convelocidad variable puedeahorrar hasta el 30 % deenergía en condiciones decarga ligera.

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de potencia de elevadas frecuenciaspuede mejorar este rendimiento to-davía en un 20% adicional. La co-mercialización a gran escala de lasnuevas fuentes de luz de altísimorendimiento como son los LED deluz blanca necesitará la incorpora-ción de la electrónica de potencia.

Semiconductores de potenciaEl actual progreso de la electrónicade potencia ha sido posible princi-palmente gracias a los avances enlos dispositivos semiconductores depotencia junto con las nuevas pro-puestas de topologías de converti-dores, técnicas de modulación PWM,modelos analíticos, métodos de si-mulación, algoritmos de control y es-timación, microcontroladores y DSP,circuitos integrados ASIC, etc. Aun-que históricamente la electrónica depotencia empezó en el año 1901 conla disponibilidad de la válvula recti-ficadora de arco de mercurio, no fuehasta la aparición del tiristor en losaños 50 cuando empezó la era mo-derna de la electrónica de potenciade estado sólido. Gradualmente fue-ron apareciendo otros componentessemiconductores de potencia que sebeneficiaron de los avances de la mi-croelectrónica. Esta evolución de loscomponentes, unida a la evolución delos convertidores estáticos y del con-trol, ha sido muy espectacular en laúltima década del siglo XX, llevandoa la electrónica de potencia a su ac-tual estado de madurez, que la con-vierte en una tecnología estratégicapara el futuro de la humanidad.

El tiristor, que fue el componenteque dominó la primera generaciónde la electrónica de potencia, ac-tualmente sigue siendo indispensa-ble en las aplicaciones de gran po-tencia y baja frecuencia, como son losrectificadores de la corriente de la redalterna, interruptores estáticos, com-pensadores estáticos de energía re-activa por control de fase, ondula-dores autoconmutados para motoressíncronos de muy elevadas poten-cias, baños galvánicos, procesos elec-trolíticos y sistemas de transmisiónde energía eléctrica en alta tensióncontinua HVDC. Para aplicacionesde alta potencia y tensión se dispo-

ne actualmente de tiristores activa-dos por la luz LTT de 8kV y 3,5 kAcon caídas directas de tensión de 2,7a 3,5 kA. Como las órdenes de disparose envían en forma de luz por fibraóptica, se dispone de suficiente ais-lamiento como para utilizarlo en apli-caciones de 250 kV.

Durante muchos años fueron muypopulares los circuitos de conmuta-ción forzada de los tiristores, que de-jaron de usarse con la aparición deltiristor GTO (Tiristor conmutado porla puerta), el primer interruptor depotencia que se podía controlar tan-to al cerrar como al abrir. En la ac-tualidad se fabrican solamente GTOpara aplicaciones de muy alta tensióny potencia, 6 kV, 6 kA, y están en de-sarrollo GTO de 9 kV y 12 kV. La ne-cesidad de complejos circuitos depuerta y de ayuda a la conmutación(snubbers) y las bajas frecuencias alas que puede conmutar –del ordende 500 Hz– hacen que el GTO que-de relegado a aplicaciones de muyalta tensión, como pueden ser la trac-ción y los sistemas eléctricos de po-tencia. La disponibilidad de los mo-dernos IGBT de alta tensión haceque el GTO haya perdido alguno de

sus campos de aplicación tanto entracción como en grandes converti-dores de frecuencia industriales ytambién en la red eléctrica de altatensión.

La aparición del MOSFETLa aparición de los transistores MOS-FET, en la década de los ochenta,supuso realmente el inicio de la mo-derna electrónica de potencia. Fue elprimer interruptor estático de sín-tesis, pues se fabricó como si fueraun circuito integrado de microelec-trónica pero con todos los pequeñosinterruptores puestos en paralelopara realizar la función de interrup-tor de potencia. Su control por ten-sión y sus elevadas frecuencias deconmutación sin necesidad de snub-bers le dejaron sin competencia enel rango de aplicaciones de baja ten-sión hasta unos 300 V. Se fabricanMOSFET de alta tensión pero de muybaja corriente, pues las caídas detensión en conducción son muy ele-vadas.

Las últimas mejoras introducidasen su estructura (trench-gate), quehan disminuido todavía más la caídaen conducción, hace que no pueda te-ner ningún competidor en el futuroen aplicaciones de alta frecuencia(de kHz a MHz) y bajas tensiones, so-bre todo en el sector del automóvil.El MOSFET tiene la ventaja añadidade poder conectarse en paralelo sinningún problema; si la aplicación ne-cesita más corriente, se conectanmás MOSFET en paralelo.

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La aparición de lostransistores MOSFET, en ladécada de los ochenta,supuso realmente el inicio dela moderna electrónica depotencia.

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El IGBT y la popularización delos convertidores de frecuenciaAl mismo tiempo que aparecía eltransistor MOSFET se disponía delos transistores bipolares Darlington,con valores de 1.200 V y 300 A, conlos que se construyeron los primerosconvertidores de frecuencia indus-triales. Sus tiempos de conmutacióneran lentos, con lo que no se podí-an superar frecuencias de conmuta-ción de 1 kHz, era necesaria la ayu-da de snubbers en la conmutación ysu área de trabajo segura era limita-da. Muy recientemente, y brusca-mente, este dispositivo ha sido to-talmente eliminado de lasaplicaciones de la electrónica de po-tencia por culpa de la aparición delIGBT. El transistor IGBT (transistorbipolar de puerta aislada) fue el se-gundo interruptor de síntesis fabri-cado con las mismas instalacionesen las que se fabrican los compo-nentes microelectrónicos y en él seintegraron las mejores propiedadesde los interruptores de potencia dis-ponibles. El control de puerta MOS-FET por tensión y alta frecuencia yel interruptor de potencia bipolar dealta tensión y baja caída en conduc-ción. Nos atrevemos a decir que ladisponibilidad de este maravillosointerruptor estático impulsó el granavance y desarrollo de la electróni-ca de potencia en la última década delsiglo pasado. En la actualidad, es elinterruptor que ha permitido la granpopularización de los convertidoresde frecuencia debido a su bajo cos-te, excelentes prestaciones y eleva-da fiabilidad. En sus gamas de ten-siones y corrientes medias(1.200-1.700 V, 300-600 A) es muyampliamente utilizado y se puede lle-gar a usar en las aplicaciones que lorequieran por encima de los 20 y 40kHz. La cuarta generación actual deIGBT, también con la tecnologíatrench-gate, ha mejorado alguna desus imperfecciones, como era unaexcesiva caída de tensión en con-ducción, y ha permitido elevar sufrecuencia de conmutación. En estecampo de aplicaciones de tensionesy corrientes medias tampoco se es-pera ningún nuevo competidor conel transistor IGBT. Por el contrario,

los nuevos dispositivos disponibles dehasta 6.500 V y 600 A hacen que estédesplazando a otros dispositivos deelevada potencia de aplicacionescomo la tracción eléctrica, converti-dores de frecuencia de alta tensióny el procesado de la energía eléctri-ca en las redes de alta tensión.

Para las aplicaciones de muy ele-vada tensión y corriente se disponede dispositivos muy especializados,con nombres que dependen de sus fa-bricantes y que son conocidos comoMCT (tiristores controlados por MOS-FET) o IGCT (tiristores controladospor puerta aislada). Se fabrican has-ta tensiones de 6.500 V y corrientesde 3.000 A y hasta el momento no tie-nen competidores en las muy altaspotencias, aunque sus desventajasrespecto a los IGBT harán que se di-señen convertidores modulares conIGBT que puedan asumir estas apli-caciones de alta potencia, ya casi to-das relacionadas con la interaccióncon las redes de alta tensión del sis-tema eléctrico de potencia.

Carburo de silicio en lugar desilicioPara finalizar, es necesario indicarque aunque el silicio ha sido la ma-teria prima para la fabricación de los

semiconductores de potencia du-rante muchos años, en estos mo-mentos ya se están realizando lasprimeras aplicaciones con compo-nentes basados en el carburo de si-licio SiC. Este nuevo material per-mitirá fabricar componentes de másalta tensión, con temperaturas detrabajo más elevadas, frecuencias deconmutación más altas y menorescaídas de tensión en conducción. Enestos momentos se comercializandiodos SiC Schottky de hasta 400 Vy se prevé llegar hasta 1.000 V. Tam-bién se están investigando estructu-ras MOSFET en SiC que permitiríanllegar hasta 10.000 V. Es posible queen un futuro no muy lejano, la mayorparte de los dispositivos de potenciade silicio desaparezcan del mercado[5, 6].

Convertidores estáticosLos convertidores estáticos estáncompuestos por un conjunto de in-terruptores estáticos que, controla-dos de forma adecuada, permitenmodificar la forma de disponibilidadde la energía eléctrica y adaptarla alas necesidades de una aplicación.La aparición de nuevas estructurasy funcionalidades de los convertido-res estáticos ha ido ligada, como esnatural, a la evolución de los inte-rruptores disponibles. La estructuramás clásica y extendida es el puen-te rectificador monofásico o trifási-co en sus versiones con diodos o contiristores, que permiten la regula-ción por ángulo de fase. Estos con-vertidores se comportan como cargasno lineales, generando corrientes ar-mónicas y energía reactiva. La granproliferación de estos convertidores,

La disponibilidad de estemaravilloso interruptorestático –el IGBT– impulsóel gran avance y desarrollode la electrónica de potenciaen la última décadadel siglo pasado.

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que forman parte de la entrada de lafuente de alimentación de todos losequipos electrónicos, ha hecho quese promulguen unas normativas li-mitadoras de las perturbaciones quegeneran en la red de suministro eléc-trico. Para superar esta problemáti-ca se han propuesto varias nuevas es-tructuras para la función derectificación de entrada en los equi-pos electrónicos. Para la baja poten-cia se utiliza un convertidor elevadorformado por un MOSFET, un diodoy una inductancia. El condensadordel bus de corriente continua se car-ga a una tensión superior al valormáximo de la tensión de red consu-miendo una corriente senoidal enfase con la tensión de red. Esta eta-pa de entrada a las fuentes de ali-mentación de baja potencia es co-nocida como controlador del factorde potencia (PFC) y no es reversi-ble. Para mayores potencias se utili-za la misma estructura que un con-vertidor de frecuencia yaprovechando que es reversible sepermuta la entrada por la salida. Deesta forma, el condensador se cargaa una tensión más elevada que el má-ximo de la tensión de red y de éstase consumen corrientes senoidales enfase con la tensión. Al mismo tiem-po esta estructura permite la recu-peración de energía hacia la red du-rante un frenado de un motor y otrasfunciones como las de filtrado acti-vo de armónicos.

En el capítulo de convertidores de

frecuencia que también pueden serusados como rectificadores activos deentrada se ha propuesto para ten-siones elevadas la estructura cono-cida como puente trifásico de tres ni-veles con el neutro conectado alpunto medio de los condensadoresdel bus de continua. La ventaja deesta estructura reside en que los in-terruptores soportan solamente lamitad de la tensión de bus, con lo quese pueden realizar convertidores deelevada tensión con IGBT. Por estemotivo, esta estructura con IGBT hadesbancado a los convertidores deelevada potencia de dos niveles re-alizados con GTO con la aplicaciónde convertidores de frecuencia detres niveles hasta potencias de 10MVA en aplicaciones de acondicio-nadores activos de las líneas de po-tencia (APLC) y en el control degrandes motores síncronos. Comola tensión de los IGBT ha ido su-biendo, estas estructuras de tres ni-veles están a su vez siendo sustitui-das por estructuras de dos nivelescon IGBT de alta tensión por moti-vo de su menor coste. Algunas apli-caciones de esta última tendencialas encontraríamos en convertido-res de tracción ferroviaria.

El convertidor matricialOtra de las nuevas estructuras en lasque se están dedicando esfuerzos deinvestigación es la que se conocecomo convertidor matricial. Se tratade unir la entrada del convertidorcon la salida directamente sin el pasopor un circuito intermedio de tensióncontinua. Para realizar la función deconvertidor de frecuencia se con-vierte directamente la energía alter-na de una frecuencia y tensión enotra energía alterna con frecuenciay tensión distintas. Para realizar estaconversión son necesarios nueve in-terruptores estáticos bidirecciona-les, para lo que se deben utilizar 18interruptores controlables y 18 dio-dos. En la actualidad, un fabricantede semiconductores de potencia estáofreciendo un módulo que integratodos los interruptores necesariospara construir un convertidor matri-cial de baja potencia y existe ya laoferta comercial de un convertidor defrecuencia matricial. De todas ma-neras, el futuro de esta estructura esincierto, pues, aunque ofrece algunasventajas –como ser directamente bi-direccional en energía y disponer dela capacidad de controlar los armó-nicos y el factor de potencia–, la au-

Semicon- Empresa Ratios Interruptores Tipoductores (VDRN, ITOQM,VCE, IC) de potenciade potencia Sxxx (MVA)

GTO Mitsubishi 6000V, 6000A asym 36 Press-Pack4500V, 1000-4000A asym 18 Press-Pack

ABB 4500V, 600-4000A asym 18 Press-Pack6000V, 3000A asym 18 Press-Pack

IGBT Eupec 3300V, 400-1200A 3,96 Module6500V, 200-600A 3,90 Module

Mitsubishi 3300V, 400-1200A 3,96 Module4500V, 400-900A 4,05 Module

Hitachi 3300V, 400-1200A 3,96 ModuleToshiba 3300V, 400-1200A 3,96 Press-Pack

4500V, 1200-2100A 9,45 ModuleABB 3300V, 1200A 3,96 Module

4500V, 600-3000A 13,50 Press-Pack6500V, 600A 3,90 Module

IGCT ABB 4500V, 3800-4000A asym 18,00 Press-Pack4500V, 340-2200A r.c. 9,90 Press-Pack5500V. 280-1800A r.c. 9,90 Press-Pack6000V, 3000A asym 18,00 Press-Pack

Mitsubishi 4500V, 4000A asym 18 Press-Pack6000V, 3500-6000A asym 36 Press-Pack6500V, 400-1500A asym 9,75 Press-Pack

n Semiconductores de potencia de alta tensión.

Mención especial merecen lanueva teoría de modulaciónsenoidal de la energíaeléctrica, conocida como“modulación vectorialespacial” (SVMPWM), y lateoría de control vectorialpropuesta inicialmente parael control de las máquinaseléctricas pero aplicadaactualmente y con muchoéxito a las interacciones conlas redes eléctricas.

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sencia del almacenamiento interme-dio en corriente continua la hacemuy sensible a los huecos de ten-sión de la red eléctrica.

Fuentes de alimentaciónconmutadas: nuevasestructurasFinalmente, y en el campo de lasfuentes de alimentación conmuta-das, se están imponiendo como es-tándares en las alimentaciones delos ordenadores las nuevas estruc-turas de convertidores continua/con-tinua multifase intercalados. Su fun-cionamiento consiste en poner enparalelo varios interruptores perocon sus controles desfasados, de for-ma que actúan uno a continuación deotro. De esta forma, la corriente sereparte entre los interruptores, conlo que pueden ser más pequeños, yla frecuencia soportada por los ele-mentos pasivos de filtrado es equi-valente a la de conmutación de los in-terruptores multiplicada por elnúmero de fases intercaladas. Deeste modo, la talla de todos los ele-mentos se reduce y pueden llegar aconstruirse convertidores de poten-cias medias con volúmenes muy pe-queños y con todos los componentesde montaje superficial, disminuyen-do muchísimo el coste de produc-ción para elevadas series. Además,

como la corriente por cada inte-rruptor es más pequeña y su fre-cuencia de conmutación es un sub-múltiplo de la resultante de todas lasfases, el rendimiento de estas es-tructuras es óptimo. Si el número defases es elevado, la potencia es pro-cesada de forma distribuida en eltiempo y en el espacio, con lo que enlugar de tratarse de un convertidorde conmutación abrupta, su com-portamiento se asemeja más al deuna fuente lineal, el procesado de lapotencia es más homogéneo y se re-aliza de forma casi continua. [7]

Conclusiones En nuestra opinión, tres hitos hancontribuido a establecer la madurezactual de la electrónica de potencia.La disponibilidad del IGBT permitiódisponer de convertidores con ele-vadas capacidades de procesamien-to de la potencia, muy fiables y com-petitivos en costes. La amplia ofertade microcontroladores y DSP de ele-vadas capacidades de tratamiento deseñal y cálculo, diseñados para apli-caciones de control industrial, in-cluyendo todos los periféricos nece-sarios para el control directo deconvertidores de frecuencia y de mo-tores, ha permitido a los técnicos ca-pacidades nunca antes alcanzadaspara dominar el procesamiento de la

energía. Estas dos grandes capaci-dades tecnológicas de actuación ycontrol sobre la energía han permi-tido aplicar con total eficacia las apor-taciones teóricas científicas que sehan ido produciendo. Queremos des-tacar la nueva teoría de modulaciónsenoidal de la energía eléctrica, co-nocida como “modulación vectorialespacial” (SVMPWM), y la teoría decontrol vectorial propuesta inicial-mente para el control de las máqui-nas eléctricas pero aplicada actual-mente y con mucho éxito a lasinteracciones con las redes eléctricas.Al mismo tiempo, la gran capacidadde los DSP ha permitido introducirtodas las nuevas teorías de control,como la lógica difusa, el modo desli-zante, las redes neuronales y los al-goritmos genéticos, lo que ha posi-bilitado importantes avances en elprocesado de la potencia, como sonlos sistemas de control de máquinaseléctricas sin sensores.

Este gran avance de la electrónicade potencia se seguirá produciendoa un ritmo todavía más acentuado,pues ahora ya no dependerá del em-puje del mercado y de las oportuni-dades que otras tecnologías le brin-den. La electrónica de potencia se haconvertido en una tecnología clave,en una tecnología habilitadora. Es latecnología base para el desarrollo denuevas necesidades. La electrónicade potencia se convierte en la im-pulsora del mercado del procesa-miento de la potencia.

Antoni SudriàSamuel GalceranDaniel Montesinoswww.citcea.upc.edu

En la actualidad, unfabricante desemiconductores de potenciaestá ofreciendo un móduloque integra todos losinterruptores necesarios paraconstruir un convertidormatricial de baja potencia.

Bibliografía

• [1] Bose, Bimal K.: Energy, Environment, and Advances in PowerElectronic. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 15, nº 4. julio2000, págs. 688-701.• [2] Blaabjerg, Frede, y otros: The Future of Electronic Power Pro-cessing and Conversion. IEEE Transactions on Industry Applications,vol. 41, nº 1, enero 2005, págs. 3-8.• [3] Sudrià, Antoni, y otros: La Mecatrònica, un nuevo paradigma.Automática e Instrumentación, nº 355, octubre 2004, págs. 43-46. • [4] Sudrià, Antoni: Hablemos de la Mecatrònica. Automática e Ins-trumentación, nº 331, julio 2002, págs. 47-51.• [5] Akagi, Hirofumi: The State-of-the-Art of Power Electronics in Ja-pan. IEEE Transactions on Power Electronics, vol 13, nº 2, marzo 1998,págs. 345-356.• [6] Baliga, B. Jayant: The Future of Power Semiconductor Devi-ceTtechnology. Proceedings of the IEEE, vol. 89, nº 6, junio 2001, págs.822-832. • [7] Cobos, J. A., y otros: Supplying energy to mobile and autono-mus electronics. 2004 CPES Power Electronics Seminar.

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