La electrónica de potencia, una tecnología estratégica

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA
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Automática e Instrumentación
La electrónica de potencia,
una tecnología estratégica
El actual escenario global de la energía ha convertido a la
electrónica de potencia en una tecnología estratégica, pues,
aplicada al sistema de procesamiento de la energía, posibilitará
asegurar la sostenibilidad de nuestro crecimiento.
Teoría de circuitos
Teoría de sistemas
y control
Física de estado sólido
Comunicaciones
industriales
Electroquímica
Control digital con microcontroladores y DSP
Electrónica
de potencia
Procesamiento analógico
y digital de la señal
Sistemas eléctricos
de potencia
Modelización y
simulación
Electromagnetismo
Programación en
ensamblador y C
Electrónica analógica
y digital
Automatización
Máquinas eléctricas y
convertidores estáticos
Transmisión del calor
Instrumentación de
medida y sensores
Compatibilidad
electromagnética
■ La electrónica de potencia como una discicplina interdisciplinar.
l desarrollo tecnológico experimentado por la electrónica de potencia durante los
últimos cuarenta años la ha consolidado en la actualidad como una herramienta indispensable para el funcionamiento de todos los ámbitos de
nuestra sociedad, tanto el industrial
como el de servicios y el doméstico.
Esta posición se ha conseguido con
la continua aportación, de forma callada y no reconocida por la sociedad,
de los técnicos especializados en electrónica de potencia. Esta comunidad científica se ha visto obligada a
pensar y trabajar en un entorno limitado, con un escenario pequeño,
siempre oscurecido por el resplandor
E
social que se ha brindado a las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, las famosas TIC que
han impuesto el desarrollo social de
los últimos años del siglo XX, llevándonos hacia este mundo más cerrado y uniforme que conocemos
como “globalización”.
La indeferencia mediática y política hacia la electrónica de potencia ha
dificultado la incorporación de estos
conocimientos a nivel de sistemas.
Sus ingenieros han tenido que reducir su atención a los niveles de componentes y equipos. Estos niveles,
en los que se han realizado muy importantes trabajos de investigación y
desarrollo, se pueden considerar ple-
namente maduros y su evolución, estancada, pues no existen perspectivas de nuevos descubrimientos o
aportaciones que posibiliten un salto tecnológico. Es en la integración
con sistemas donde residen las mayores oportunidades tecnológicas y
de crecimiento futuro de la electrónica de potencia.
Integración en sistemas
Estamos viviendo una era de trepidantes innovaciones tecnológicas.
Nunca antes en la historia de la humanidad el ritmo de asimilación social de las nuevas aportaciones de la
ciencia y la tecnología había sido tan
acentuado como en la época que es-
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tamos viviendo, con los ordenadores
personales, la telefonía móvil, la digitalización de la información y el automóvil. La electrónica de potencia
se ha mantenido al margen de este
fenómeno. Hasta el momento, no ha
sido una tecnología que haya impuesto nuevos desarrollos. La demanda del mercado es la que estira
de las tecnologías y la electrónica de
potencia no ha sido una tecnología
empujada por el mercado; es una
tecnología posibilitadora, es decir,
juega solamente un papel de soporte al desarrollo de las otras tecnologías. Si en el futuro se pretende algún papel protagonista en este
sentido, es necesario entender cómo
funcionan los sistemas tecnológicos
y qué aportaciones puede realizar la
electrónica de potencia. La demanda actual consiste en la integración
de la electrónica de potencia en el sistema de procesado de la energía. Hay
que dejar de hacer electrónica de
potencia para pasar a hacer procesado de la potencia.
Nuestra sociedad industrial ha pasado por diferentes etapas. El siglo
XIX, durante el cual se produjo la
revolución industrial impulsada por
la máquina de vapor, fue un siglo claramente mecánico, todavía más con
la irrupción del automóvil al final de
la centuria. Estabamos en la era de
la máquina. La introducción de las
máquinas eléctricas junto con la distribución de la energía eléctrica inició la nueva era eléctrica, que caracterizó la primera mitad del siglo
XX. Con la invención del transistor
en el año 1948 se inició la llamada
“primera revolución electrónica”, que
nos introdujo en la era electrónica durante la cual asistimos a la aparición
de los circuitos integrados, ordenadores, comunicaciones, informática,
Internet y la automatización, que nos
llevaron hacia la sociedad de la in-
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La electrónica de potencia y las energías
alternativas
a demanda de sistemas de generación de energía eléctrica basados en
L fuentes de energía alternativas y renovables ha sufrido un crecimiento espectacular en todo el mundo, a razón de, aproximadamente, un 25%
anual. La concienciación de la humanidad en aspectos tan importantes como
la contaminación atmosférica y sus efectos hacen prever que esta demanda seguirá incrementándose en el futuro. Además, la demanda global de
electricidad en el mundo crece a muy alta velocidad y, aunque los países
más desarrollados están haciendo especial énfasis en la eficiencia energética para no derrochar energía, el crecimiento de la demanda es mucho más
elevado que los ahorros energéticos conseguidos. Por lo tanto, se deben
fomentar dos líneas de investigación, a saber, aumentar más aún, si cabe,
la eficiencia energética de todos los equipos consumidores, y por otro
lado, investigar y aplicar la generación en base a fuentes de energía renovables y alternativas.
Para que el crecimiento del mercado de las energías alternativas crezca
más rápidamente se debe conseguir que el coste de producción de energía con estas fuentes sea inferior al mínimo coste de producción mediante combustibles fósiles. En lo que respecta a la energía eólica, esto ya es
cierto hoy en día, pero en referencia a la energía solar térmica y a la solar
fotovoltaica, y aunque los costes de producción de éstas han bajado enormemente durante los últimos años, todavía están por encima del coste de
producción con combustibles fósiles. Pero si la tendencia futura del coste
de producción evoluciona como lo ha hecho durante los últimos años, la
energía solar térmica será plenamente competitiva en un par de años y la
solar fotovoltaica, en menos de 10 años.
La electrónica de potencia es clave en prácticamente todas las tecnologías de generación con energías alternativas. La red eléctrica opera a una
frecuencia fija (50 Hz en Europa) y con unas tensiones que deberían ser
sinusoidales y con el valor eficaz que corresponda (230 V en ambiente doméstico). La generación de energía eléctrica tradicional consiste en hacer
girar el eje de una máquina eléctrica rotativa (generador) a velocidad fija
para conseguir generar tensión a la frecuencia de la red. Las fuentes de
energía alternativa generan corriente continua o bien corriente alterna de
frecuencia variable y es en todos estos casos donde el uso de la electrónica de potencia se hace imperativo. La conversión de la energía eléctrica
para conseguir los 50 Hz y la forma sinusoidal se debe realizar con convertidores estáticos de energía (electrónica de potencia) diseñados para
operar correctamente y con la máxima eficiencia posible.
formación que produjo el fenómeno
de la llamada “globalización”. Mientras tanto, con la invención del tiristor en 1956 se produjo de forma silenciosa y lenta la llamada por
algunos “segunda revolución electrónica”, que culmina con la madurez de la electrónica de potencia en
los albores del siglo XXI. Es importante destacar que la electrónica de
potencia esencialmente consiste en
una mezcla de las tecnologías impulsoras de la era mecánica, de la
era eléctrica y de la era electrónica.
Nos encontramos ante una nueva
tecnología realmente interdisciplinar.
Nuestros políticos consideran que
para asegurar la sostenibilidad de la
sociedad del bienestar durante el siglo XXI es necesario asegurar la ex-
Hay que dejar de hacer
electrónica de potencia para
pasar a hacer “procesado de
la potencia”.
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Japón, con tan sólo el 2% de la población mundial, consume solamente el 5% de la energía total. En el
país nipón, el precio de la energía es
típicamente cuatro veces más cara
que en Estados Unidos. El precio
bajo de la energía induce a su despilfarro; se estima que el 30% de la
energía consumida en Estados Unidos es directamente disipada en pérdidas por la negligencia de las instituciones y de los consumidores.
La capacidad de instalación de miles
de MW (Megawatts) de generación
mediante energías alternativas hará
que se desarrollen de una forma espectacular los convertidores estáticos de energía eléctrica, en particular
aumentando sus prestaciones y funcionalidades, y los componentes de la
electrónica de potencia en general haciéndolos más rápidos y con menores
pérdidas.
Eólica
Durante la última década, la generación
a partir de la energía eólica se ha desarrollado de una manera impresionante, especialmente en el norte de
Europa. Los aerogeneradores empezaron siendo de unos pocos kilowatts y hoy en día ya se están desarrollando
máquinas que superan los 4 MW. Este desarrollo tan significativo, obviamente, se ha podido producir gracias a los convertidores estáticos de energía eléctrica. El futuro de la energía eólica pasa por tener unos convertidores estáticos de mayor potencia y de mayor densidad de potencia (más
pequeños) y, además, se debe aumentar la robustez y la fiabilidad de los
aerogeneradores y, en conjunto, de los parques de generación eólica. Se
espera que se pueda llegar en pocos años a aerogeneradores de hasta 10
MW (orientados a parques eólicos situados en el mar) basados en generadores de imanes permanentes y con la ayuda de convertidores estáticos
de energía de unos 3 o 4 kV de tensión, y todo ello sin aumentar el volumen del equipo. Una gran ayuda será la eliminación del tren de engranajes que hoy en día existe. Dicha eliminación se producirá gracias a la electrónica de potencia y cabe destacar el aumento de la eficiencia energética,
ya que es bien conocido que los trenes de engranajes tienen un rendimiento
que dista bastante de lo deseable. Por otra parte, la eliminación de los engranajes supondrá una disminución de peso importante, pudiendo repercutir en el diseño de la torre del aerogenerador.
Fotovoltaica
A pesar de que uno de los principales inconvenientes de esta tecnología
es su elevado coste, en 2002 se vendieron cerca de 400 MW de módulos
fotovoltaicos en todo el mundo. Nuevas tecnologías de fabricación y la apli☛ Sigue en la página siguiente
celencia en el conocimiento y la gestión en tres vectores estratégicos: el
agua, la movilidad y la energía. El
agua para la vida, la movilidad y la
energía para el bienestar. La electrónica de potencia, con su esencia
interdisciplinar, está destinada a desempeñar un importante papel en la
consecución de estos objetivos. La
energía ha sido siempre necesaria
para asegurar el continuo progreso de
la humanidad. Desde el inicio de la
revolución industrial, el consumo global de energía se ha ido incremen-
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tando para acelerar el nivel de bienestar de las sociedades desarrolladas. De hecho, el consumo de energía por cápita se ha tomado como
indicador de la prosperidad económica de una comunidad. Este modelo ha llevado a situaciones de despilfarro energético propiciadas por el
bajo precio de la energía. Por ejemplo, se podría considerar que Estados Unidos dispone del mejor nivel
de vida mundial, pues con sólo el 5%
de la población mundial consume el
25% de la energía total. En cambio,
Ahorro energético
Desafortunadamente, la contaminación ambiental provocada por el incremento de energía consumida es
uno de los temas que más preocupan
actualmente por los cambios climáticos que provoca, como el calentamiento global, el efecto directo sobre
la salud por la disminución de la capa
de ozono, la contaminación urbana y
la deforestación originada por la lluvia ácida. Este modelo de desarrollo
basado en el despilfarro energético
no es sostenible, en primer lugar por
los daños irremediables que produce sobre el planeta y, en segundo lugar, porque la mayor parte de energía consumida es de origen fósil y
las reservas llegarán a agotarse.
La electrónica de potencia puede
contribuir al ahorro energético mediante la optimización del consumo
tanto en la industria como en los servicios y en las viviendas particulares. La regulación de la velocidad de
los motores eléctricos es una de las
aplicaciones más utilizadas de la electrónica de potencia, habiendo superado el estricto marco industrial y
habiendo llegado actualmente a las
neveras, equipos de aire acondicionado, lavadoras y ascensores. La elec-
Esencialmente, la electrónica
de potencia consiste en una
mezcla de las tecnologías
impulsoras de las eras
mecánica, eléctrica y
electrónica. Nos
encontramos ante una nueva
tecnología realmente
interdisciplinar.
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trónica de potencia es también la
tecnología clave para poder poner
en marcha todos los recursos de energías renovables, como son la eólica y
la fotovoltaica, junto con los nuevos
sistemas de almacenamiento de energía, como pueden ser las pilas de
combustible, baterías, supercondensadores, volantes de inercia y bobinas superconductoras. En el campo de la movilidad, la electrónica de
potencia es la tecnología base del coche eléctrico y está aportando grandes innovaciones a los transportes
ferroviarios, que deberán experimentar un gran desarrollo futuro en
detrimento del transporte privado
que colapsa las ciudades y las carreteras. El tratamiento, depuración,
bombeo, distribución y desalinización del agua también es una de las
principales aplicaciones de la rama industrial de la electrónica de potencia. Finalmente, todas las anteriores
aplicaciones –presentes y futuras–
de la electrónica de potencia están
enlazadas mediante la red de distribución y transporte de la energía
eléctrica. En el control y máxima eficiencia de esta red también, la electrónica de potencia también empieza a jugar un papel protagonista.
Procesar inteligentemente la
energía
Es evidente que existe una oportunidad para que la electrónica de potencia amplíe su protagonismo ocupándose del procesado inteligente y
eficiente de la energía en cualquier
tipo de aplicación. Los sistemas de
potencia constituyen una de las aplicaciones que ofrecen mayores posibilidades.
Otra de las aplicaciones interesantes se encuentra en los sistemas
mecatrónicos. Durante el siglo XX
se desarrollaron y aplicaron las tecnologías electromecánicas; durante
el siglo XXI estas tecnologías serán
sustituidas por la mecatrónica. Se
empieza a considerar a la electrónica de potencia como la tecnología
que permitirá el desarrollo sostenible durante el siglo XXI. ¿Se ha iniciado la nueva era de la electrónica
de potencia? [1, 2, 3, 4]
La electrónica de potencia es un
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☛ Viene de la página anterior
Momento de la botadura en el puerto de Palamós del sistema de generación de energia 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 energía
y su control han sido desarrollados por el CITCEA-UPC, centro de innovación tecnológica de la Universidad Politècnica de Catalunya.
cación de nuevos materiales semiconductores están produciendo una disminución 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 paneles fotovoltaicos basados en materiales orgánicos. La tecnología es totalmente diferente a los paneles basados en semiconductores y, por tanto, 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 elemento
esencial llamado ondulador. Éste no deja de ser un convertidor estático de
energía eléctrica en forma de corriente continua a energía eléctrica en forma de corriente alterna sinusoidal de 50 Hz. Los onduladores de pequeña
potencia (1 a 5 kW) acostumbran a ser monofásicos y los de cierta potencia (> 25 kW), trifásicos. Una de las maneras de almacenar energía eléctrica asociada a los sistemas de generación fotovoltaica aislados de la red
es mediante baterías. Las plantas fotovoltaicas que no están aisladas de la
área de la ingeniería eléctrica altamente interdisciplinar, pues en ella
se aplican conocimientos y tecnologías relacionadas con las siguientes
disciplinas: teoría de circuitos, física
de estado sólido, electromagnetismo, teoría de sistemas y control, comunicaciones industriales, control
digital con microcontroladores y DSP,
Una de las aplicaciones que
ofrece mayores posibilidades
a la electrónica de potencia
es la mecatrónica.
programación en ensamblador y C,
electrónica analógica y digital, procesamiento analógico y digital de la
señal, sistema eléctrico de potencia,
máquinas eléctricas y convertidores
estáticos, modelización y simulación,
transmisión del calor y electroquímica. Todas estas materias forman la
parte electrónica de la mecatrónica,
hecho que reafirma todavía más el
elevado protagonismo a la que está
destinada la electrónica de potencia. Esta importancia de la electrónica de potencia se debe ver reflejada en los planes de estudios
universitarios. Los departamentos
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red acostumbran a incorporar un sistema de baterías para almacenaje de
energía eléctrica para tener cierta autonomía en caso de ausencia de red
y esto implica que la electrónica de potencia que constituye el inversor debe,
también, incorporar un convertidor estático para la carga y mantenimiento de las baterías, así como cierta inteligencia y poder de decisión para saber conmutar de la red a las baterías (en ausencia de red) y viceversa en
cuanto la red esté presente y estable.
Células de combustible
Las células de combustible representan una de las tecnologías de generación más prometedoras y más eficientes (de hasta el 70%). Su desarrollo
se ha realizado mayoritariamente gracias a la industria del automóvil. Actualmente, tanto los gobiernos como las industrias han iniciado proyectos
de investigación ambiciosos para conseguir tecnologías de células de combustible viables económicamente hablando. Una de las grandes ventajas
es su reversibilidad y gran capacidad de almacenaje de energía en forma
de combustible, como por ejemplo el hidrógeno.
Existen varias tecnologías de células de combustible, pero desde el punto de vista de la interconexión con la red eléctrica son muy similares a los
paneles fotovoltaicos. La diferencia significativa que existe entre estos dos
sistemas de generación radica en que las células de combustible tienen un
comportamiento diferente durante los transitorios, es decir, su fiabilidad
y su funcionamiento frente a cambios bruscos y grandes de carga es pobre. Principalmente por esta razón se piensa en las células de combustible como una generación de base que se debe complementar con los otros
tipos de generación según la demanda existente en cada instante. El comportamiento transitorio de las células de combustible se puede mejorar con
el almacenamiento de energía (mediante, por ejemplo, supercondensadores) y por descontado, la electrónica de potencia asociada.
Una de las características de las células de combustible es que deben funcionar a cierta temperatura (desde 100 ºC hasta 1000ºC, dependiendo de la
tecnología) y es por esta razón por la que se entiende que son un complemento ideal en centrales de cogeneración, pues se podría aprovechar el combustible sobrante de las células de combustible para alimentar una turbina
de gas y aprovechar el calor sobrante de ésta para mantener la temperatura de las células de combustible. Todas estas consideraciones se deben realizar sin perder de vista que el papel realmente importante lo juegan los convertidores estáticos de energía eléctrica, y su complejidad, características y
funcionalidad van aumentando conforme a su número y a la capacidad de
interacción debida a su conectividad e inteligencia distribuida.
de ingeniería eléctrica deben abandonar la excesiva especialización tradicional en temas exclusivos de su
área, porque de lo contrario los nuevos ingenieros no podrán abordar las
nuevas necesidades de los sistemas
de potencia. En los nuevos planes
de estudios deben aparecer titulaciones de ingeniería en energía y en
mecatrónica.
Ahorrar entre un 15% y un 20%
de consumo eléctrico
Donde se hace más patente la gran
importancia actual de la electrónica
de potencia es en el ahorro de ener-
gía de los equipos eléctricos mediante
un uso más eficiente de la electricidad. Se estima que aproximadamente se puede ahorrar entre un 15% y
un 20 % del consumo eléctrico mediante una aplicación extensiva de la
electrónica de potencia. Aproximadamente del 60% al 65% de la electricidad generada es consumida por
motores eléctricos y la mayoría de éstos accionan bombas y ventiladores.
De nuevo, la eficiencia energética de
la mayoría de estas bombas y ventiladores puede beneficiarse del control a velocidad variable. Tradicionalmente, la variación de flujo de los
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El funcionamiento de los
motores y válvulas
totalmente abiertas con
velocidad variable puede
ahorrar hasta el 30 % de
energía en condiciones de
carga ligera.
fluidos impulsados por estos equipos
se consigue mediante válvulas obturadoras, mientras que los motores de
inducción siguen girando a su velocidad fija nominal. Se puede demostrar que el funcionamiento de los motores y válvulas totalmente abiertas
con velocidad variable puede ahorrar
hasta el 30% de energía en condiciones de carga ligera. El funcionamiento
de los motores de inducción con poca
carga, como es el caso de las escaleras automáticas, se puede optimizar
haciéndole trabajar a flujo de excitación magnética reducido, con lo que
se consiguen ahorros del 20%. Como
el precio de la electrónica de potencia sigue disminuyendo, es posible
instalar arrancadores de frecuencia
variables en la alimentación de motores aunque sea en aplicaciones de
velocidad constante, permitiendo programar el control del flujo de excitación del motor, con el consecuente
ahorro energético.
Otro ejemplo de aplicación son los
accionamientos a velocidad variable
en función de la carga de los sistemas
de aire acondicionado y bombas de
calor, que pueden ahorrar hasta el
30% de energía en comparación con
los controles termostáticos convencionales. Es interesante destacar que,
debido al elevado precio de la energía en el Japón, el 70% de los sistemas de aire acondicionado domésticos usan accionamiento a velocidad
variable para ahorrar energía. Estas
mismas tendencias se están produciendo en otros electrodomésticos,
como neveras y lavadoras. Se estima
que el 20% de la energía generada se
consume en la iluminación. Es de sobras conocido que las lámparas fluorescentes tienen un rendimiento
energético tres veces más elevado
que las de incandescencia. La utilización de reactancias de electrónica
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de potencia de elevadas frecuencias
puede mejorar este rendimiento todavía en un 20% adicional. La comercialización a gran escala de las
nuevas fuentes de luz de altísimo
rendimiento como son los LED de
luz blanca necesitará la incorporación de la electrónica de potencia.
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Semiconductores de potencia
El actual progreso de la electrónica
de potencia ha sido posible principalmente gracias a los avances en
los dispositivos semiconductores de
potencia junto con las nuevas propuestas de topologías de convertidores, técnicas de modulación PWM,
modelos analíticos, métodos de simulación, algoritmos de control y estimación, microcontroladores y DSP,
circuitos integrados ASIC, etc. Aunque históricamente la electrónica de
potencia empezó en el año 1901 con
la disponibilidad de la válvula rectificadora de arco de mercurio, no fue
hasta la aparición del tiristor en los
años 50 cuando empezó la era moderna de la electrónica de potencia
de estado sólido. Gradualmente fueron apareciendo otros componentes
semiconductores de potencia que se
beneficiaron de los avances de la microelectrónica. Esta evolución de los
componentes, unida a la evolución de
los convertidores estáticos y del control, ha sido muy espectacular en la
última década del siglo XX, llevando
a la electrónica de potencia a su actual estado de madurez, que la convierte en una tecnología estratégica
para el futuro de la humanidad.
El tiristor, que fue el componente
que dominó la primera generación
de la electrónica de potencia, actualmente sigue siendo indispensable en las aplicaciones de gran potencia y baja frecuencia, como son los
rectificadores de la corriente de la red
alterna, interruptores estáticos, compensadores estáticos de energía reactiva por control de fase, onduladores autoconmutados para motores
síncronos de muy elevadas potencias, baños galvánicos, procesos electrolíticos y sistemas de transmisión
de energía eléctrica en alta tensión
continua HVDC. Para aplicaciones
de alta potencia y tensión se dispo-
La aparición de los
transistores MOSFET, en la
década de los ochenta,
supuso realmente el inicio de
la moderna electrónica de
potencia.
ne actualmente de tiristores activados por la luz LTT de 8kV y 3,5 kA
con caídas directas de tensión de 2,7
a 3,5 kA. Como las órdenes de disparo
se envían en forma de luz por fibra
óptica, se dispone de suficiente aislamiento como para utilizarlo en aplicaciones de 250 kV.
Durante muchos años fueron muy
populares los circuitos de conmutación forzada de los tiristores, que dejaron de usarse con la aparición del
tiristor GTO (Tiristor conmutado por
la puerta), el primer interruptor de
potencia que se podía controlar tanto al cerrar como al abrir. En la actualidad se fabrican solamente GTO
para aplicaciones de muy alta tensión
y potencia, 6 kV, 6 kA, y están en desarrollo GTO de 9 kV y 12 kV. La necesidad de complejos circuitos de
puerta y de ayuda a la conmutación
(snubbers) y las bajas frecuencias a
las que puede conmutar –del orden
de 500 Hz– hacen que el GTO quede relegado a aplicaciones de muy
alta tensión, como pueden ser la tracción y los sistemas eléctricos de potencia. La disponibilidad de los modernos IGBT de alta tensión hace
que el GTO haya perdido alguno de
sus campos de aplicación tanto en
tracción como en grandes convertidores de frecuencia industriales y
también en la red eléctrica de alta
tensión.
La aparición del MOSFET
La aparición de los transistores MOSFET, en la década de los ochenta,
supuso realmente el inicio de la moderna electrónica de potencia. Fue el
primer interruptor estático de síntesis, pues se fabricó como si fuera
un circuito integrado de microelectrónica pero con todos los pequeños
interruptores puestos en paralelo
para realizar la función de interruptor de potencia. Su control por tensión y sus elevadas frecuencias de
conmutación sin necesidad de snubbers le dejaron sin competencia en
el rango de aplicaciones de baja tensión hasta unos 300 V. Se fabrican
MOSFET de alta tensión pero de muy
baja corriente, pues las caídas de
tensión en conducción son muy elevadas.
Las últimas mejoras introducidas
en su estructura (trench-gate), que
han disminuido todavía más la caída
en conducción, hace que no pueda tener ningún competidor en el futuro
en aplicaciones de alta frecuencia
(de kHz a MHz) y bajas tensiones, sobre todo en el sector del automóvil.
El MOSFET tiene la ventaja añadida
de poder conectarse en paralelo sin
ningún problema; si la aplicación necesita más corriente, se conectan
más MOSFET en paralelo.
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El IGBT y la popularización de
los convertidores de frecuencia
Al mismo tiempo que aparecía el
transistor MOSFET se disponía de
los transistores bipolares Darlington,
con valores de 1.200 V y 300 A, con
los que se construyeron los primeros
convertidores de frecuencia industriales. Sus tiempos de conmutación
eran lentos, con lo que no se podían superar frecuencias de conmutación de 1 kHz, era necesaria la ayuda de snubbers en la conmutación y
su área de trabajo segura era limitada. Muy recientemente, y bruscamente, este dispositivo ha sido totalmente eliminado de las
aplicaciones de la electrónica de potencia por culpa de la aparición del
IGBT. El transistor IGBT (transistor
bipolar de puerta aislada) fue el segundo interruptor de síntesis fabricado con las mismas instalaciones
en las que se fabrican los componentes microelectrónicos y en él se
integraron las mejores propiedades
de los interruptores de potencia disponibles. El control de puerta MOSFET por tensión y alta frecuencia y
el interruptor de potencia bipolar de
alta tensión y baja caída en conducción. Nos atrevemos a decir que la
disponibilidad de este maravilloso
interruptor estático impulsó el gran
avance y desarrollo de la electrónica de potencia en la última década del
siglo pasado. En la actualidad, es el
interruptor que ha permitido la gran
popularización de los convertidores
de frecuencia debido a su bajo coste, excelentes prestaciones y elevada fiabilidad. En sus gamas de tensiones y corrientes medias
(1.200-1.700 V, 300-600 A) es muy
ampliamente utilizado y se puede llegar a usar en las aplicaciones que lo
requieran por encima de los 20 y 40
kHz. La cuarta generación actual de
IGBT, también con la tecnología
trench-gate, ha mejorado alguna de
sus imperfecciones, como era una
excesiva caída de tensión en conducción, y ha permitido elevar su
frecuencia de conmutación. En este
campo de aplicaciones de tensiones
y corrientes medias tampoco se espera ningún nuevo competidor con
el transistor IGBT. Por el contrario,
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los nuevos dispositivos disponibles de
hasta 6.500 V y 600 A hacen que esté
desplazando a otros dispositivos de
elevada potencia de aplicaciones
como la tracción eléctrica, convertidores de frecuencia de alta tensión
y el procesado de la energía eléctrica en las redes de alta tensión.
Para las aplicaciones de muy elevada tensión y corriente se dispone
de dispositivos muy especializados,
con nombres que dependen de sus fabricantes y que son conocidos como
MCT (tiristores controlados por MOSFET) o IGCT (tiristores controlados
por puerta aislada). Se fabrican hasta tensiones de 6.500 V y corrientes
de 3.000 A y hasta el momento no tienen competidores en las muy altas
potencias, aunque sus desventajas
respecto a los IGBT harán que se diseñen convertidores modulares con
IGBT que puedan asumir estas aplicaciones de alta potencia, ya casi todas relacionadas con la interacción
con las redes de alta tensión del sistema eléctrico de potencia.
Carburo de silicio en lugar de
silicio
Para finalizar, es necesario indicar
que aunque el silicio ha sido la materia prima para la fabricación de los
La disponibilidad de este
maravilloso interruptor
estático –el IGBT– impulsó
el gran avance y desarrollo
de la electrónica de potencia
en la última década
del siglo pasado.
Automática e Instrumentación
semiconductores de potencia durante muchos años, en estos momentos ya se están realizando las
primeras aplicaciones con componentes basados en el carburo de silicio SiC. Este nuevo material permitirá fabricar componentes de más
alta tensión, con temperaturas de
trabajo más elevadas, frecuencias de
conmutación más altas y menores
caídas de tensión en conducción. En
estos momentos se comercializan
diodos SiC Schottky de hasta 400 V
y se prevé llegar hasta 1.000 V. También se están investigando estructuras MOSFET en SiC que permitirían
llegar hasta 10.000 V. Es posible que
en un futuro no muy lejano, la mayor
parte de los dispositivos de potencia
de silicio desaparezcan del mercado
[5, 6].
Convertidores estáticos
Los convertidores estáticos están
compuestos por un conjunto de interruptores estáticos que, controlados de forma adecuada, permiten
modificar la forma de disponibilidad
de la energía eléctrica y adaptarla a
las necesidades de una aplicación.
La aparición de nuevas estructuras
y funcionalidades de los convertidores estáticos ha ido ligada, como es
natural, a la evolución de los interruptores disponibles. La estructura
más clásica y extendida es el puente rectificador monofásico o trifásico en sus versiones con diodos o con
tiristores, que permiten la regulación por ángulo de fase. Estos convertidores se comportan como cargas
no lineales, generando corrientes armónicas y energía reactiva. La gran
proliferación de estos convertidores,
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que forman parte de la entrada de la
fuente de alimentación de todos los
equipos electrónicos, ha hecho que
se promulguen unas normativas limitadoras de las perturbaciones que
generan en la red de suministro eléctrico. Para superar esta problemática se han propuesto varias nuevas estructuras para la función de
rectificación de entrada en los equipos electrónicos. Para la baja potencia se utiliza un convertidor elevador
formado por un MOSFET, un diodo
y una inductancia. El condensador
del bus de corriente continua se carga a una tensión superior al valor
máximo de la tensión de red consumiendo una corriente senoidal en
fase con la tensión de red. Esta etapa de entrada a las fuentes de alimentación de baja potencia es conocida como controlador del factor
de potencia (PFC) y no es reversible. Para mayores potencias se utiliza la misma estructura que un convertidor de frecuencia y
aprovechando que es reversible se
permuta la entrada por la salida. De
esta forma, el condensador se carga
a una tensión más elevada que el máximo de la tensión de red y de ésta
se consumen corrientes senoidales en
fase con la tensión. Al mismo tiempo esta estructura permite la recuperación de energía hacia la red durante un frenado de un motor y otras
funciones como las de filtrado activo de armónicos.
En el capítulo de convertidores de
Mención especial merecen la
nueva teoría de modulación
senoidal de la energía
eléctrica, conocida como
“modulación vectorial
espacial” (SVMPWM), y la
teoría de control vectorial
propuesta inicialmente para
el control de las máquinas
eléctricas pero aplicada
actualmente y con mucho
éxito a las interacciones con
las redes eléctricas.
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Abril 2005 / n.º 361
Semiconductores
de potencia
Empresa
Ratios
(VDRN, ITOQM,VCE, IC)
Interruptores
de potencia
Sxxx (MVA)
Tipo
GTO
Mitsubishi
6000V, 6000A asym
4500V, 1000-4000A asym
4500V, 600-4000A asym
6000V, 3000A asym
3300V, 400-1200A
6500V, 200-600A
3300V, 400-1200A
4500V, 400-900A
3300V, 400-1200A
3300V, 400-1200A
4500V, 1200-2100A
3300V, 1200A
4500V, 600-3000A
6500V, 600A
4500V, 3800-4000A asym
4500V, 340-2200A r.c.
5500V. 280-1800A r.c.
6000V, 3000A asym
4500V, 4000A asym
6000V, 3500-6000A asym
6500V, 400-1500A asym
36
18
18
18
3,96
3,90
3,96
4,05
3,96
3,96
9,45
3,96
13,50
3,90
18,00
9,90
9,90
18,00
18
36
9,75
Press-Pack
Press-Pack
Press-Pack
Press-Pack
Module
Module
Module
Module
Module
Press-Pack
Module
Module
Press-Pack
Module
Press-Pack
Press-Pack
Press-Pack
Press-Pack
Press-Pack
Press-Pack
Press-Pack
ABB
IGBT
Eupec
Mitsubishi
Hitachi
Toshiba
ABB
IGCT
ABB
Mitsubishi
■ Semiconductores de potencia de alta tensión.
frecuencia que también pueden ser
usados como rectificadores activos de
entrada se ha propuesto para tensiones elevadas la estructura conocida como puente trifásico de tres niveles con el neutro conectado al
punto medio de los condensadores
del bus de continua. La ventaja de
esta estructura reside en que los interruptores soportan solamente la
mitad de la tensión de bus, con lo que
se pueden realizar convertidores de
elevada tensión con IGBT. Por este
motivo, esta estructura con IGBT ha
desbancado a los convertidores de
elevada potencia de dos niveles realizados con GTO con la aplicación
de convertidores de frecuencia de
tres niveles hasta potencias de 10
MVA en aplicaciones de acondicionadores activos de las líneas de potencia (APLC) y en el control de
grandes motores síncronos. Como
la tensión de los IGBT ha ido subiendo, estas estructuras de tres niveles están a su vez siendo sustituidas por estructuras de dos niveles
con IGBT de alta tensión por motivo de su menor coste. Algunas aplicaciones de esta última tendencia
las encontraríamos en convertidores de tracción ferroviaria.
El convertidor matricial
Otra de las nuevas estructuras en las
que se están dedicando esfuerzos de
investigación es la que se conoce
como convertidor matricial. Se trata
de unir la entrada del convertidor
con la salida directamente sin el paso
por un circuito intermedio de tensión
continua. Para realizar la función de
convertidor de frecuencia se convierte directamente la energía alterna de una frecuencia y tensión en
otra energía alterna con frecuencia
y tensión distintas. Para realizar esta
conversión son necesarios nueve interruptores estáticos bidireccionales, para lo que se deben utilizar 18
interruptores controlables y 18 diodos. En la actualidad, un fabricante
de semiconductores de potencia está
ofreciendo un módulo que integra
todos los interruptores necesarios
para construir un convertidor matricial de baja potencia y existe ya la
oferta comercial de un convertidor de
frecuencia matricial. De todas maneras, el futuro de esta estructura es
incierto, pues, aunque ofrece algunas
ventajas –como ser directamente bidireccional en energía y disponer de
la capacidad de controlar los armónicos y el factor de potencia–, la au-
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Abril 2005 / n.º 361
sencia del almacenamiento intermedio en corriente continua la hace
muy sensible a los huecos de tensión de la red eléctrica.
Fuentes de alimentación
conmutadas: nuevas
estructuras
Finalmente, y en el campo de las
fuentes de alimentación conmutadas, se están imponiendo como estándares en las alimentaciones de
los ordenadores las nuevas estructuras de convertidores continua/continua multifase intercalados. Su funcionamiento consiste en poner en
paralelo varios interruptores pero
con sus controles desfasados, de forma que actúan uno a continuación de
otro. De esta forma, la corriente se
reparte entre los interruptores, con
lo que pueden ser más pequeños, y
la frecuencia soportada por los elementos pasivos de filtrado es equivalente a la de conmutación de los interruptores multiplicada por el
número de fases intercaladas. De
este modo, la talla de todos los elementos se reduce y pueden llegar a
construirse convertidores de potencias medias con volúmenes muy pequeños y con todos los componentes
de montaje superficial, disminuyendo muchísimo el coste de producción para elevadas series. Además,
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
como la corriente por cada interruptor es más pequeña y su frecuencia de conmutación es un submúltiplo de la resultante de todas las
fases, el rendimiento de estas estructuras es óptimo. Si el número de
fases es elevado, la potencia es procesada de forma distribuida en el
tiempo y en el espacio, con lo que en
lugar de tratarse de un convertidor
de conmutación abrupta, su comportamiento se asemeja más al de
una fuente lineal, el procesado de la
potencia es más homogéneo y se realiza de forma casi continua. [7]
Conclusiones
En nuestra opinión, tres hitos han
contribuido a establecer la madurez
actual de la electrónica de potencia.
La disponibilidad del IGBT permitió
disponer de convertidores con elevadas capacidades de procesamiento de la potencia, muy fiables y competitivos en costes. La amplia oferta
de microcontroladores y DSP de elevadas capacidades de tratamiento de
señal y cálculo, diseñados para aplicaciones de control industrial, incluyendo todos los periféricos necesarios para el control directo de
convertidores de frecuencia y de motores, ha permitido a los técnicos capacidades nunca antes alcanzadas
para dominar el procesamiento de la
Bibliografía
• [1] Bose, Bimal K.: Energy, Environment, and Advances in Power
Electronic. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 15, nº 4. julio
2000, págs. 688-701.
• [2] Blaabjerg, Frede, y otros: The Future of Electronic Power Processing 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 Instrumentación, nº 331, julio 2002, págs. 47-51.
• [5] Akagi, Hirofumi: The State-of-the-Art of Power Electronics in Japan. IEEE Transactions on Power Electronics, vol 13, nº 2, marzo 1998,
págs. 345-356.
• [6] Baliga, B. Jayant: The Future of Power Semiconductor DeviceTtechnology. Proceedings of the IEEE, vol. 89, nº 6, junio 2001, págs.
822-832.
• [7] Cobos, J. A., y otros: Supplying energy to mobile and autonomus electronics. 2004 CPES Power Electronics Seminar.
Automática e Instrumentación
En la actualidad, un
fabricante de
semiconductores de potencia
está ofreciendo un módulo
que integra todos los
interruptores necesarios para
construir un convertidor
matricial de baja potencia.
energía. Estas dos grandes capacidades tecnológicas de actuación y
control sobre la energía han permitido aplicar con total eficacia las aportaciones teóricas científicas que se
han ido produciendo. Queremos destacar la nueva teoría de modulación
senoidal de la energía eléctrica, conocida como “modulación vectorial
espacial” (SVMPWM), y la teoría de
control vectorial propuesta inicialmente para el control de las máquinas eléctricas pero aplicada actualmente y con mucho éxito a las
interacciones con las redes eléctricas.
Al mismo tiempo, la gran capacidad
de los DSP ha permitido introducir
todas las nuevas teorías de control,
como la lógica difusa, el modo deslizante, las redes neuronales y los algoritmos genéticos, lo que ha posibilitado importantes avances en el
procesado de la potencia, como son
los sistemas de control de máquinas
eléctricas sin sensores.
Este gran avance de la electrónica
de potencia se seguirá produciendo
a un ritmo todavía más acentuado,
pues ahora ya no dependerá del empuje del mercado y de las oportunidades que otras tecnologías le brinden. La electrónica de potencia se ha
convertido en una tecnología clave,
en una tecnología habilitadora. Es la
tecnología base para el desarrollo de
nuevas necesidades. La electrónica
de potencia se convierte en la impulsora del mercado del procesamiento de la potencia.
Antoni Sudrià
Samuel Galceran
Daniel Montesinos
www.citcea.upc.edu
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