CAPÍTULO 1 SISTEMAS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA 1-1 INTRODUCCIÓN En términos generales, la tarea de la electrónica de potencia es procesar y controlar el flujo de energía eléctrica mediante el suministro de voltajes y corrientes en una forma óptima para las cargas de los usuarios. La figura 1-1 muestra un sistema de electrónica de potencia en forma de diagrama de bloques. La entrada de potencia a este procesador de potencia viene normalmente (pero no siempre) de la compañía generadora de electricidad, con una frecuencia de línea de 60 o 50 Hz, monofásica o trifásica. El ángulo de fase entre el voltaje y la corriente de entrada depende de la topología y el control del procesador de potencia. La salida procesada (voltaje, corriente, frecuencia, así como el número de fases) es como lo requiere la carga. Si la salida del procesador de potencia se considera una fuente de voltaje, la corriente de salida y la relación del ángulo de fase entre el voltaje y la corriente de salida dependen de las características de la carga. Por lo regular, un controlador de realimentación compara la salida de la unidad del procesador de potencia con un valor deseado (o de referencia), y el error entre los dos es minimizado por el controlador. El flujo de potencia a través de estos sistemas podrá ser reversible, intercambiando de este modo los papeles de entrada y salida. En los últimos años, el campo de la electrónica de potencia tuvo un crecimiento considerable debido a la confluencia de varios factores. El controlador en el diagrama de bloques de la figura 1-1 consiste en circuitos lineales integrados y/o procesadores de señales digitales. Dichos controladores fueron posibles gracias a avances revolucionarios en el campo de la microelectrónica. Además, los avances en la tecnología de la manufactura de semiconductores hicieron posible la mejora significativa de las capacidades de manejo de voltajes y corrientes así como de las velocidades de conmutación de dispositivos de semiconductores de potencia, que constituyen la unidad del procesador de potencia de la figura 1-1. Al mismo tiempo, el mercado para la electrónica de potencia creció de manera considerable. Las empresas de electricidad en Estados Unidos anticipan que, para 2000, más de 50% de la carga eléctrica se suministrará por medio de sistemas de electrónica de potencia como el de la figura 1-1. Este crecimiento del mercado incluso podrá ser mayor en otras partes del mundo donde el costo de energía es considerablemente más alto que en Estados Unidos. En la sección 1-3 se contemplan varias aplicaciones de electrónica de potencia. Entrada de potencia Salida de potencia Procesador de potencia Señales de control Controlador Carga Mediciones Referencia Figura 1-1 Diagrama de bloques de un sistema de electrónica de potencia. 1-2 ELECTRÓNICA DE POTENCIA EN COMPARACIÓN CON LA ELECTRÓNICA LINEAL En todos los procesos de conversión de potencia como el que se muestra en el diagrama de bloques de la figura 1-1, es importante que se presente una pequeña pérdida de potencia y, por ende, una alta eficiencia de energía, por dos razones: el costo de la energía desperdiciada y la dificultad para eliminar el calor generado debido a la energía disipada. Otras consideraciones importantes son la reducción de tamaño, peso y costo. En la mayoría de los sistemas, los objetivos recién mencionados no se pueden alcanzar por medio de la electrónica lineal, pues en ésta los dispositivos de semiconductores son operados en su región lineal (activa) y se usa un transformador de frecuencia de línea para el aislamiento eléctrico. Como ejemplo, considere el suministro eléctrico de la corriente constante (CC) de la figura 1-2a para proporcionar un voltaje de salida regular Vo a una carga. La entrada de la compañía generadora de energía eléctrica normalmente podrá estar en 120 o 240 V, y el voltaje de salida podrá ser, por ejemplo, 5 V. Se requiere que la salida sea eléctricamente aislada de la entrada de la compañía generadora de energía eléctrica. En el suministro eléctrico lineal se usa un transformador de frecuencia de línea para dar el aislamiento eléctrico y reducir el voltaje de línea. El rectificador convierte la salida de corriente alterna (CA) del devanado de bajo voltaje a CC. El capacitor de filtrado reduce la ondulación en el voltaje vd. La figura 1-2b muestra la forma de onda vd, que depende de la magnitud de voltaje de la compañía generadora de electricidad (normalmente en un rango de ± 10% alrededor de su valor nominal). La relación de espiras o vueltas del transformador se debe seleccionar de tal modo que el mínimo de tensión de entrada vd sea mayor que la salida deseada Vo. Para el rango de las formas de onda de tensión de entrada que se muestran en la figura 1-2b, el transistor es controlado para absorber la diferencia de voltaje entre vd y Vo, lo que proporciona una salida regulada. El transistor opera en su región activa como un reóstato ajustable, lo cual produce una eficiencia de energía baja. El transformador de frecuencia de línea es relativamente grande y pesado. En la electrónica de potencia se logra la regulación de potencia y el aislamiento eléctrico por ejemplo mediante un circuito como el que se muestra en la figura 1-3a. En este sistema, la entrada de la compañía Transformador de frecuencia de línea Suministro principal de energía eléctrica Controlador Rcarga Rectificador Condensador (o capacitor) de filtrado a) rango yd Vd, mín 0 b) Figura 1-2 Suministro de potencia eléctrica lineal de CC. generadora de energía eléctrica es rectificada a un voltaje de CC vd, sin transformador de frecuencia de línea. El transistor opera como conmutador (en un modo de conmutación, ya sea completamente encendido o completamente apagado) con alta frecuencia de conmutación fs, por ejemplo a 300 kHz, por lo que el voltaje de CC vd se convierte en un voltaje de CA a la frecuencia de conmutación. Esto permite que un transformador de alta frecuencia se use para reducir la tensión y proporcionar el aislamiento eléctrico. A fin de simplificar este circuito para el análisis, se comenzará con el voltaje de CC vd como entrada de CC y se omitirá el transformador, lo que resulta en un circuito equivalente, como se muestra en la figura 1-3b. Basta decir en este momento (este circuito se analiza en forma completa en los capítulos 7 y 10) que la combinación transistor/diodo se puede representar por medio de un interruptor de dos posiciones, como se muestra en la figura 1-4a (siempre y cuando iL(t) > 0). El interruptor está en la posición a durante el intervalo tenc cuando el transistor está conectado, y en la posición b cuando el transistor está desconectado durante tapag. En consecuencia, voi es igual a Vd y cero durante tenc y tapag, respectivamente, como se muestra en la figura 1-4b. Vamos a definir voi(t) = Voi + vondulación(t) (1-1) donde Voi es el valor medio (CC) de voi, y el voltaje de ondulación o de rizo instantáneo vondulación(t), que tiene un valor medio de cero, se muestra en la figura 1-4c. Los elementos L-C forman un filtro pasa-bajas que reduce la ondulación o el rizo en la tensión de salida y pasa el promedio de la tensión de entrada, así que Vo = Voi (1-2) Procesador de potencia Rcarga Suministro principal de energía eléctrica Transformador Rectificador de alta frecuencia Filtro Pasa-bajas Condensador de filtrado Rectificador Controlador a) Procesador de potencia Rcarga Controlador b) Figura 1-3 Suministro de potencia eléctrica de CC en modo de conmutación. donde Vo es la tensión media de salida. A partir de las formas de onda repetitivas en la figura 1-4b se puede ver con facilidad que Vo = 1 Ts ∫ Ts voi dt = 0 tenc vd Ts (1-3) Como el voltaje de entrada vd cambia con el tiempo, la ecuación 1-3 muestra que es posible regular Vo en su valor deseado al controlar la relación tenc/Ts, que recibe el nombre de relación de trabajo D del interruptor del transformador. Por lo regular, Ts (= 1/fs) se mantiene constante, y tenc se ajusta. Hay varias características que vale la pena hacer notar. Puesto que el transistor trabaja como interruptor, completamente conectado o desconectado, se minimiza la pérdida de potencia. Desde luego, existe una pérdida de energía cada vez que el transistor conmuta de un estado al otro a través de su región activa (esto se analiza en el capítulo 2). Por tanto, la pérdida de potencia debido a conmutaciones es linealmente proporcional a la frecuencia de conmutación. Esta pérdida de potencia de conmutación es por lo general mucho menor que la pérdida de potencia en suministros eléctricos de regulación lineal. Con altas frecuencias de conmutación, el transformador y los componentes de filtrado son muy pequeños en peso y tamaño en comparación con los componentes de frecuencia de línea. Para detallar sobre el papel de las altas frecuencias de conmutación, el contenido armónico en la forma de onda de voi se obtiene por medio del análisis de Fourier (véase el problema 1-3 y su análisis en el capítulo 3), y el trazado, en la figura 1-4d. Esto muestra que voi consiste en un valor promedio (CC) y en componentes armónicos que están en un múltiplo de la frecuencia de conmutación fs. Si la frecuencia de conmutación es alta, estos componentes de CA se eliminan con facilidad por medio de un pequeño filtro para producir la tensión de CC deseada. La selección de la frecuencia de conmutación se determina tomando en cuenta el compromiso entre la disipación de la potencia de conmutación en el transistor, que aumenta con la frecuencia de conmu- Rcarga a) tenc tapag b) yondulación(t) c) Armónico d) Figura 1-4 Circuito equivalente, formas de onda y espectro de frecuencia del suministro o fuente de alimentación en la figura 1-3. tación, y el costo del transformador y filtro, que disminuye con la frecuencia de conmutación. Conforme se hagan disponibles transistores con mayores velocidades de conmutación, se podrán aumentar las frecuencias de conmutación, y se podrá reducir el tamaño de transformador y filtro para la misma disipación de potencia de conmutación. Una observación importante en el circuito de modo de conmutación que se acaba de describir, es que tanto la entrada como la salida son de CC, tal como en el suministro regulado lineal. Las altas frecuencias de conmutación se usan para sintetizar la forma de onda de salida, que en este ejemplo es CC. En muchas aplicaciones, la salida es una onda sinusoidal. 1-3 ALCANCE Y APLICACIONES La creciente demanda del mercado de la electrónica de potencia se debe a varios factores que se analizarán a continuación (véase las referencias 1-3). 1. Fuentes de alimentación conmutadas (CC) y sistemas de alimentación ininterrumpida. Los avances en la tecnología de manufactura en el campo de la microelectrónica dieron lugar al desarrollo de computadoras, equipos de comunicación y artículos electrónicos de consumo, que requieren el suministro eléctrico regulado de CC y a menudo sistemas de alimentación ininterrumpida. 2. Conservación de la energía. Los costos de energía cada vez más altos y la preocupación por el medio ambiente se combinaron para hacer de la conservación de la energía una prioridad. Una de estas aplicaciones de la electrónica de potencia es la operación de lámparas fluorescentes a altas frecuencias (por ejemplo, arriba de 20 kHz) para obtener una mayor eficiencia. Otra oportunidad para la conservación de energías grandes (véase el problema 1-7) se encuentra en los sistemas de bombas y compresores accionados por motores [4]. En un sistema de bomba convencional, como se muestra en la figura 1-5a, la bomba trabaja con una velocidad esencialmente constante, y el caudal de la bomba se controla mediante el ajuste de la posición de la válvula estranguladora. Este proceso permite una pérdida considerable de potencia a través de la válvula con caudales reducidos, donde la potencia proveniente de la compañía generadora de electricidad permanece prácticamente igual a la que se usa con el caudal completo. Esta pérdida de potencia se elimina en el sistema de la figura 1-5b, donde un accionamiento motriz de velocidad ajustable gradúa la velocidad de la bomba a un nivel adecuado para producir el caudal deseado. Como se analizará en el capítulo 14 (en combinación con el capítulo 8), las velocidades del motor se ajustan de manera muy eficiente por medio de la electrónica de potencia. Las bombas de calor y sistemas de aire acondicionado de carga proporcional y capacidad modulada son ejemplos de la aplicación de la electrónica de potencia para conservar energía. 3. Control de procesos y automatización de fábricas. Existe una creciente demanda para el desempeño mejorado que ofrecen bombas y compresores accionados con velocidades ajustables en el control de procesos. Los robots en fábricas automatizadas son impulsados por servoaccionamientos eléctricos (de velocidad y posición ajustable). Cabe mencionar que la disponibilidad de computadoras de proceso es un factor significativo para posibilitar el control de procesos y la automatización de fábricas. 4. Transporte. En muchos países están en amplio uso trenes eléctricos desde hace mucho tiempo. También existe la posibilidad de usar vehículos eléctricos en grandes áreas metropolitanas para reducir el esmog y la contaminación. Los vehículos eléctricos también requerirían cargadores de acumuladores que utilizan la electrónica de potencia. Válvula estranguladora Salida de línea de alimentacion Salida Motor Bomba a) Entrada Salida Entrada de línea de alimentación Accionamiento de velocidad ajustable Bomba b) Entrada Figura 1-5 Conservación de la energía: a) accionamiento convencional, b) accionamiento de velocidad ajustable. TABLA 1-1 Aplicaciones de la electrónica de potencia a) b) c) Residencial Refrigeración y congeladores Calefacción de espacios Aire acondicionado Cocina Iluminación Electrónica (computadoras personales, otros equipos de entretenimiento) Comercial Calefacción, ventilación y aire acondicionado Refrigeración centralizada Iluminación Computadoras y equipos de oficina Fuentes de alimentación ininterrumpida (uninterruptible power supplies, UPS) Elevadores Industrial Bombas Compresores Sopladores y ventiladores Herramentales mecanizados (robots) Hornos de arco eléctrico, hornos de inducción Iluminación Láseres industriales Calentamiento por inducción Soldadura d) e) f) g) Transporte Control de tracción de vehículos eléctricos Cargadores de acumuladores para vehículos eléctricos Locomotoras eléctricas Tranvías, trolebuses Trenes subterráneos Electrónica automotriz, controles de motores Sistemas de electricidad pública Transmisión de alta tensión de CC (high-voltage DC transmission) Compensación estática de VAR (static VAR compensation) Fuentes de energía suplementarias (viento, fotovoltaico), celdas de combustible Sistemas de almacenamiento de energía Ventiladores de tiro por aspiración y bombas de agua de alimentación de calderas Ingeniería aeroespacial Sistemas de suministro de energía para transbordadores espaciales Sistemas de energía de satélites Sistemas de energía para aeronaves Telecomunicaciones Cargadores de acumuladores Sistemas de alimentación de energía (CC y UPS) 5. Aplicaciones de electrotecnia. Éstas incluyen equipos para soldadura, galvanoplastia y calentamiento por inducción. 6. Aplicaciones relacionadas con la energía pública. Una de estas aplicaciones es la transmisión de energía eléctrica a través de líneas de alta tensión de CC (HVDC). En el extremo de transmisión de la línea se convierten voltajes y corrientes de frecuencia de línea en CC. Esta CC se vuelve a convertir a la CA de la línea de frecuencia en el extremo de recepción de la línea. La electrónica de potencia también empieza a desempeñar un papel importante ahora que las empresas de electricidad intentan utilizar la red de transmisión existente con una capacidad más alta [5]. En la actualidad se encuentra potencialmente una aplicación importante en la interconexión de sistemas fotovoltaicos y de energía eólica con la red eléctrica pública. La tabla 1-1 presenta una lista de varias aplicaciones que cubren un amplio rango de energía, desde unas cuantas decenas de watts hasta varias centenas de megawatts. Conforme mejoran su desempeño los dispositivos de semiconductores de potencia y disminuye su costo, sin duda cada vez más sistemas usarán la electrónica de potencia. 1-4 CLASIFICACIÓN DE PROCESADORES Y CONVERTIDORES DE POTENCIA 1-4-1 PROCESADORES DE POTENCIA Para un estudio sistemático de la electrónica de potencia es útil categorizar a los procesadores de potencia, como se muestran en el diagrama de bloques de la figura 1-1, en términos de su forma de entrada y salida o frecuencia . En la mayor parte de los sistemas de electrónica de potencia, la entrada proviene de la fuente generadora de energía eléctrica. Según la aplicación, la salida a la carga podrá tener una de las siguientes formas: Procesador de potencia Entrada Salida Convertidor 1 Elemento Convertidor 2 de almacenamiento de energía Figura 1-6 Diagrama de bloques de un procesador de potencia. 1. CC a) magnitud regulada (constante) b) magnitud ajustable 2. CA a) frecuencia constante, magnitud ajustable c) frecuencia ajustable y magnitud ajustable El sistema de suministro de electricidad y la carga de CA, de manera independiente, podrá ser monofásico o trifásico. Por lo general, el flujo de energía es de la entrada del sistema eléctrico público a la carga de salida. Sin embargo, hay excepciones. Por ejemplo, en un sistema fotovoltaico interconectado con la red eléctrica pública de generación, el flujo de energía es del sistema fotovoltaico (una fuente de entrada de CC) al sistema público de CA (como carga de salida). En algunos sistemas, la dirección del flujo de energía es reversible, dependiendo de las condiciones de operación. 1-4-2 CONVERTIDORES DE POTENCIA Los procesadores de potencia de la figura 1-1 consisten por lo general en más de una etapa de conversión (como se muestra en la figura 1-6), donde la operación de estas etapas se desacopla en forma instantánea por medio de elementos de almacenamiento de energía tales como capacitores e inductores. Por tanto, la potencia instantánea de entrada no tiene que ser igual a la potencia instantánea de salida. Nos referiremos a cada etapa de conversión de potencia como convertidor. Por ende, un convertidor es un módulo básico (bloque componente) de los sistemas de electrónica de potencia. El convertidor usa dispositivos de semiconductores de potencia controlados por señales electrónicas (circuitos integrados) y quizás elementos de almacenamiento de energía, como inductores y capacitores. Con base en la forma (frecuencia) en ambos lados, los convertidores se dividen en las siguientes categorías principales: 1. 2. 3. 4. CA a CC CC a CA CC a CC CA a CA Se usará la palabra convertidor como término genérico para referirnos a una sola etapa de conversión de potencia que podrá realizar cualquiera de las funciones ya enumeradas. De modo más específico, en la conversión de CA a CC y CC a CA, el término rectificador se refiere a un convertidor cuando el flujo de potencia promedio es del lado de CA al lado de CC. El término inversor se refiere al convertidor cuando el flujo de potencia promedio es del lado de CC al lado CA. De hecho, el flujo de potencia promedio a través del convertidor puede ser reversible. En este caso, como se muestra en la figura 1-7, nos referimos a este convertidor en términos de sus modos de operación de rectificador o inversor. P CA Modo de inversor Convertidor P Modo de rectificador CC Figura 1-7 Convertidores de CA a CC. Procesador de potencia CA Fuente de energía eléctrica Convertidor 1 CC C Convertidor 2 CA Motor CA Figura 1-8 Diagrama de bloques de un accionamiento motriz de CA. Supóngase, por ejemplo, que el procesador de potencia de la figura 1-6 representa el diagrama de bloques de un accionamiento motriz CA de velocidad ajustable (que se describirá en el capítulo 14). Como se muestra en la figura 1-8, este procesador consiste en dos convertidores: el convertidor 1, que opera como rectificador que convierte la línea de frecuencia CA en CC, y el convertidor 2, que opera como inversor que convierte CC en AC de magnitud y frecuencia ajustable. El flujo de energía en el modo de operación normal (dominante) es de la fuente de entrada de la compañía generadora de electricidad a la carga de salida que es el motor. Durante el frenado regenerativo, el flujo de energía invierte su dirección (del motor a la fuente). En este caso, el convertidor 2 opera como rectificador, y el convertidor 1, como inversor. Como ya se mencionó, un condensador (también llamado capacitor) de almacenamiento de energía en el enlace de CC entre los dos convertidores desconecta o desacopla la operación de los dos convertidores en forma instantánea. Esto se aclara mediante la clasificación de convertidores según el tipo de conmutación de los dispositivos dentro del convertidor. Existen tres posibilidades: 1. Convertidores de frecuencia de línea (de conmutación natural), donde las tensiones de la línea de alimentación presentes en un lado del convertidor facilitan la desconexión de los dispositivos de semiconductores de potencia. Del mismo modo se conectan los dispositivos, con la fase enganchada a la forma de onda de la tensión de línea. Por tanto, los dispositivos se conectan y desconectan con la frecuencia de línea de 50 o 60 Hz. 2. Convertidores de conmutación (conmutación forzada), donde los interruptores controlables en el convertidor se conectan y desconectan con frecuencias altas en comparación con la frecuencia de línea. A pesar de la alta frecuencia de conmutación interna del convertidor, la salida del convertidor ya podrá ser de CC o en una frecuencia comparable con la frecuencia de línea. Un comentario adicional: si la entrada en un convertidor de conmutación aparece como fuente de tensión, entonces la salida debe aparecer como una fuente de corriente, o viceversa. 3. Convertidores resonantes y cuasirresonantes, donde los interruptores controlables se conectan y/o desconectan con tensión cero y/o corriente cero. 1-4-3 CONVERTIDOR MATRICIAL COMO PROCESADOR DE POTENCIA En las dos secciones anteriores se vio que la mayor parte de los procesadores de potencia usa más de un convertidor cuya operación instantánea se desacopla por un elemento de almacenamiento de energía (un inductor o un condensador). En teoría es posible sustituir las múltiples etapas de conversión y el elemento de almacenamiento intermedio de energía por una sola etapa de conversión de potencia, llamado convertidor matricial. Estos convertidores usan una matriz de interruptores bidireccionales de semiconductores, donde un interruptor está conectado entre cada terminal de entrada a cada terminal de salida, como se muestra en la figura 1-9a para un número arbitrario de fases de entrada y salida. Con este arreglo general de interruptores, el flujo de energía a través del convertidor se puede invertir. Debido a la ausencia de algún elemento de almacenamiento de energía, la entrada instantánea de potencia debe ser igual a la salida de potencia, suponiendo interruptores idealizados de pérdida cero. Sin embargo, el ángulo de fase entre las tensiones y corrientes es controlable y no tiene que ser idéntico al de salida (es decir, la entrada de potencia reactiva no tiene que ser igual a la salida de potencia reactiva). Además, la forma y la frecuencia en los dos lados son independientes; por ejemplo, la entrada podrá ser de CA trifásica y la salida de CC, o ambos podrán ser de CC o CA. Procesador de potencia Fuente de alimentación principal Fuente de tensión Entradas Salidas a) b) Figura 1-9 a) Convertidor matricial. b) Fuente de tensión. Sin embargo, hay ciertos requerimientos para los interruptores así como restricciones para la operación de los convertidores: si las entradas aparecen como fuentes de tensión, como se muestra en la figura 1-9a, las salidas deben aparecer como fuentes de corriente o viceversa. Por ejemplo, si ambos lados apareciesen como fuentes de tensión, las acciones de conmutación, en forma inevitable, conectarán fuentes de tensión de magnitud desigual directamente entre sí, lo cual es una condición inaceptable. Las funciones de conmutación en la operación de este tipo de convertidor deben asegurar que los interruptores no produzcan un cortocircuito de las fuentes de tensión, y que no produzcan circuitos abiertos en las fuentes de corriente. De lo contrario, el convertidor se destruirá. Se sabe que a través de una fuente de tensión, la corriente puede cambiar de modo instantáneo, al igual que en una fuente de corriente puede cambiar de modo instantáneo la tensión. Si la entrada en la figura 1-9a es una fuente de alimentación principal pública, no es una fuente de tensión ideal debido a su impedancia interna y la correspondiente a las líneas de transmisión y distribución, transformadores, etc., que se encuentran a la salida de la fuente. A fin de que parezca una fuente de tensión lo más aproximada a lo ideal se requiere conectar una pequeña capacitancia en paralelo con ella, como se muestra en la figura 1-9b, a fin de superar el efecto de la impedancia interna. Los interruptores en un convertidor matricial deben ser bidireccionales, es decir, deben ser capaces de bloquear tensiones de ambas polaridades y de conducir corriente en cualquier dirección. Estos interruptores no están disponibles y deben construirse mediante una combinación de los interruptores y diodos unidireccionales disponibles que se analizan en el capítulo 2. También hay limitantes en cuanto a la proporción de las magnitudes de las cantidades de entradas y salidas. Pese a numerosos prototipos de laboratorio que se reportan en publicaciones de investigación, los convertidores matriciales hasta la fecha no han demostrado una ventaja significativa sobre los convencionales, y por tanto no han encontrado aplicaciones en la práctica. Por tanto, no se les abordará más en este libro. 1-5 SOBRE EL TEXTO El propósito de este libro es facilitar el estudio de convertidores prácticos y emergentes de la electrónica de potencia, que hizo posible la nueva generación de dispositivos de semiconductores de potencia. El libro se divide en siete partes. La parte 1 del libro, que incluye los capítulos 1 a 4, presenta una introducción, un breve resumen de los conceptos y dispositivos básicos, y simulaciones por computadora de los sistemas de electrónica de potencia. Una visión general de dispositivos de semiconductores de potencia (que se analizan en forma detallada en partes posteriores del libro), así como la justificación para asumirlos como interruptores ideales, se presenta en el capítulo 2. Los conceptos eléctricos y magnéticos básicos e importantes para la discusión de la electrónica de potencia se analizan en el capítulo 3. En el capítulo 4 se describirá brevemente el papel de las simulaciones por computadora en el análisis y diseño de sistemas de electrónica de potencia. También se presentan algunos paquetes de software de simulación apropiados para este objetivo. La parte 2 (capítulos 5 a 9) describe los convertidores de electrónica de potencia en forma genérica. De este modo, las topologías de convertidores básicas presentes en más de una aplicación se describen una sola vez en lugar de repetirlas cada vez que se encuentre una nueva aplicación. Este análisis genérico parte de la premisa de que los verdaderos interruptores de semiconductores de potencia se pueden tratar como interruptores ideales. El capítulo 5 describe los rectificadores de diodos de frecuencia de línea para la conversión de CA a CC. La conversión de CA a CC con convertidores de tiristores conmutados por línea (naturalmente conmutados) en modo de rectificador e inversor, se aborda en el capítulo 6. Los convertidores de conmutación para CC a CC y CC a CA sinusoidal, con interruptores controlados, se describen en los capítulos 7 y 8, respectivamente. Los convertidores resonantes en forma genérica se presentan en el capítulo 9. Se decidió hablar de los convertidores de CA a CA en los capítulos sobre aplicaciones, debido a su naturaleza específica orientada a ellas. Los convertidores matriciales, que en principio pueden ser convertidores de CA a CA, se analizaron brevemente en la sección 1-4-3. Los interruptores de transferencia estáticos se abordan, junto con los sistemas de alimentación ininterrumpida, en la sección 11-4-4. Los convertidores en los que sólo se tiene que controlar la magnitud de tensión sin cambio alguno en la frecuencia de CA, se describen en la sección 14-12 para el control de velocidad de motores de inducción, y en la sección 17-3 para compensadores estáticos (inductores controlados por tiristores y condensadores o capacitores controlados por tiristores). Los cicloconvertidores para accionamientos muy grandes de motores síncronos se describen en la sección 15-6. Los convertidores de semiciclo integrado de enlace de alta frecuencia se presentan en la sección 9-8. Los controladores de semiciclo integrales alimentados por tensiones de frecuencia de línea para aplicaciones de tipo calentamiento se abordan en la sección 16-3-3. La parte 3 (capítulos 10 y 11) trata del suministro de potencia eléctrica: fuentes de alimentación de conmutación de CC (capítulo 10) y fuentes de alimentación de CA ininterrumpidos (capítulo 11). La parte 4 describe las aplicaciones de accionamientos motrices, de los capítulos 12 a 15. Otras aplicaciones de la electrónica de potencia se abordan en la parte 5, las cuales incluyen aplicaciones domésticas e industriales (capítulo 16), aplicaciones de compañías generadoras de electricidad (capítulo 17) y la interconexión de las fuentes de energía principales (unidades generadoras) con los sistemas electrónicos de potencia (capítulo 18). La parte 6 (capítulos 19 a 26) contiene una descripción cuantitativa de los principios de operación física de dispositivos de semiconductores que se usan como interruptores. Por último, la parte 7 (capítulos 27 a 30) presenta las consideraciones de diseño práctico de sistemas de electrónica de potencia, como los circuitos de protección y de accionamiento de compuerta, consideraciones térmicas y diseño de componentes magnéticos. También se recomienda al lector el resumen que se presenta en el prefacio. 1-6 LA NATURALEZA INTERDISCIPLINARIA DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA El análisis en este capítulo introductorio muestra que el estudio de la electrónica de potencia abarca muchos campos dentro de la ingeniería eléctrica, como lo ilustra la figura 1-10. Estos campos son los sistemas de potencia eléctrica (de energía eléctrica), electrónica de estado sólido, máquinas eléctricas, control analógico y digital, procesamiento de señales, cálculos de campos electromagnéticos, etc. La combinación del conocimiento de estos campos diversos hace que el estudio de la electrónica de potencia sea tanto estimulante como interesante. Hay muchos avances potenciales en todos estos campos que mejorarán las perspectivas para aplicaciones novedosas de la electrónica de potencia. 1-7 SÍMBOLOS USADOS En el presente texto, para valores instantáneos tales como tensión, corriente y potencia, que son funciones de tiempo, los símbolos son las letras minúsculas v, i y p, respectivamente. Tal vez muestre explícitamente Física de estado sólido Simulación y computación Máquinas eléctricas Teoría de circuitos Teoría de sistemas y controles Procesamiento de señales Electrónica de potencia Electrónica Sistemas de potencia eléctrica Sistemas electromagnéticos Figura 1-10 La naturaleza interdisciplinaria de la electrónica de potencia. que se trata de funciones de tiempo, por ejemplo, al usar v en lugar de v(t). Los símbolos en mayúsculas V e I se refieren a sus valores calculados a partir de sus formas de onda instantáneas. Por lo general se refieren a un valor medio en cantidades de CC y a la raíz cuadrática media o valor eficaz (root-mean-square, rms) en cantidades de CA. Donde existe la posibilidad de confusión, se agrega de manera explícita el subíndice avg o rms. Los valores pico siempre se indican mediante el símbolo “^” encima de las letras mayúsculas. La potencia promedio siempre se indica por medio de P.
