Convertidores Estáticos de Energía

Convertidores Estáticos de Energía

Los sistemas que procesan la energía suelen denominarse convertidores estáticos de energía o simplemente convertidores de energía. El adjetivo "estáticos" se debe a que se trata de circuitos que utilizan semiconductores y no máquinas eléctricas para realizar la conversión, dado que en los primeros años de la Electrónica de Potencia la conversión de energía se realizaba por convertidores electromecánicos y esencialmente por máquinas giratorias. Hoy en día, estas técnicas no son más utilizadas ya que con el surgimiento de los convertidores estáticos se obtiene un desempeño más adecuado en todos los sentidos.

Por tanto, se puede decir que un convertidor estático de energía es un circuito electrónico constituido por un conjunto de elementos estáticos formando una red que constituye un equipo de conexión y transmisión entre un generador y un receptor.

Un convertidor estático de potencia ideal permite la transferencia de energía eléctrica del generador al receptor con un rendimiento unitario (sin pérdidas).

La figura 1.3 muestra el diagrama de bloques de un convertidor estático de energía aprovechando una potencia de entrada (PI) para alimentar una carga que absorbe una potencia de salida PO.

Puesto que no es ideal, como es de esperar, se producen unas pérdidas PP, aunque uno de los objetivos de cualquier convertidor de potencia - básicamente por razones energéticas, económicas y ecológicas - es transformar la energía con el mayor rendimiento posible,. Para ello, los dispositivos empleados trabajarán como interruptores en conmutación (cerrados y abiertos) y se utilizarán bobinas y condensadores como elementos auxiliares. Excepto en aplicaciones muy específicas se evita el empleo de resistencias y de dispositivos trabajando en la zona lineal.

Por tanto, se puede decir que los elementos que constituyen los convertidores estáticos de potencia son fundamentalmente de dos tipos:

• • Interruptores estáticos: Son elementos semiconductores de potencia que actúan como interruptores y son llamados de elementos no lineales.

  • Elementos reactivos: Son condensadores, inductores y transformadores.responsables por el almacenamiento y aislamiento (en el caso de los transformadores) de la energía y filtrado de las tensiones y corrientes. También son los principales responsables por el peso, volumen y coste de los equipos.

Los tipos de conversión estudiados en ésta área son: corriente alterna, CA para corriente continua, CC (fija o variable), CC para CA (con tensión y frecuencia variable), CC (fija) para CC (variable) y CA (frecuencia fija) para CA (frecuencia variable) .

Cuando en funcionamiento, el convertidor estático de potencia conecta, por intermedio de sus interruptores, las mallas del sistema eléctrico (generador o receptor) permitiendo un flujo controlado de energía entre esos sistemas.

En función de las formas de energía de la entrada y de la salida de un convertidor, podemos clasificarlos como:

a) Rectificador no controlado: Transforma la corriente alterna de tensión constante en corriente continua de tensión constante. Formado por diodos, constituye montajes irreversibles.

b) Rectificador controlado: Transforma la corriente alterna de tensión constante en corriente continua de tensión variable. Formado por tiristores. El montaje puede ser reversible, denominándose inversor no autónomo.

c) Reguladores de AC: Transforman la corriente alterna de tensión constante en corriente alterna de tensión variable y de la misma frecuencia.

d) Cicloconvertidores: Reguladores de alterna o convertidores directos alterna/alterna de distinta frecuencia.

e) Ondulador autónomo o inversor: Transforman una corriente continua en corriente alterna de frecuencia fija o variable.

f) Convertidor CC/CC o Troceador: transforma corriente continua de tensión constante en corriente continua de tensión variable.

Estos convertidores son denominados convertidores directos de energía, pues utilizan una única etapa de potencia para la conversión. Cuando se emplea más de una etapa de potencia para realizar una conversión, entonces se habla de convertidores indirectos de energía, como es el caso de los convertidores indirectos de tensión y frecuencia. La figura 1.4. muestra los diferentes tipos de convertidores de acuerdo a su clasificación.

Así, se puede concluir que para un buen entendimiento del funcionamiento de los convertidores estáticos se hace necesario inicialmente el conocimiento tanto de los interruptores como también de los fenómenos de conmutación entre ellos.

Los tipos de dispositivos semiconductores de potencia usados como interruptores estáticos son: diodos, tiristores (SCR, triac y GTO) y transistores (bipolares, MOSFET e IGBT). Para cada dispositivo (interruptor) se estudiará principalmente las características estáticas.

Actualmente con el creciente desarrollo de tecnologías de fabricación de semiconductores, se consigue alcanzar altos índices de capacidad de operación a alta potencia (por encima de 2 MW) y frecuencia (velocidad de conmutación) por encima de 100 kHz. El trabajar a alta frecuencia hace con que se reduzca el tamaño físico de los elementos reactivos reduciendo así el peso, el volumen y también el coste del equipo.

Otro factor importante que ha ayudado al aumento de la densidad de potencia, ha sido la invención de nuevos componentes (como por ejemplo el IGBT) y la evolución en términos de circuitos integrados dedicados a realizar la conmutación de los dispositivos semiconductores. Estos hechos son consecuencia de la demanda de los convertidores estáticos en el mercado, exigiendo, cada vez más investigación y así una evolución en el campo de la electrónica de potencia.