Sistemas Electrónicos de Potencia

Introducción

La Electrónica de Potencia (EP) es una de las ramas de la Electrónica que más se ha desarrollado en los últimos tiempos. Esto se puede atribuir, entre otras cosas, a la invención del tiristor en el inicio de la década de los años 60. Las limitaciones de tamaño, fragilidad mecánica y, sobretodo tiempos de desionización muy grandes, no permitieron a las válvulas a gas que se empleaban anteriormente ser competitivas en muchas aplicaciones frente, por ejemplo, a grupos motor-generador.

Con el creciente número y variedades de circuitos y equipos electrónicos en diversas áreas de aplicación, hoy en día la EP es muy importante puesto que es el campo de la ingeniería responsable por la conversión de la forma de energía eléctrica disponible en otra adecuada a la carga a ser alimentada. En otras palabras, la EP es la disciplina que estudia los sistemas de potencia, encargados de realizar la transformación (procesado) de la energía eléctrica en sus distintas formas (corriente continua, corriente alterna).

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

1. Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia y elementos pasivos, que liga la fuente primaria de alimentación con la carga. En éste circuito no se utilizan resistencias debido a su elevada disipación de potencia en forma de calor.

2. Un circuito de mando, que elabora la información proporcionada por el circuito de potencia y genera unas señales de excitación que determinan la conducción de los semiconductores controlados con una fase y secuencia conveniente.

En la EP, el concepto principal es el rendimiento. El elemento de base no puede trabajar en régimen de amplificación pues las pérdidas serían elevadas, es necesario trabajar en régimen de conmutación, siendo el componente de base el semiconductor quien trabaja como interruptor. Este componente trabajando en conmutación deberá cumplir con las siguientes características:

• • Tener 2 estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción).

  • Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y con pequeña potencia de control.

  • Ser capaz de soportar altas tensiones cuando está bloqueado y grandes intensidades, con pequeñas caídas de tensión entre sus extremos, cuando está en conducción.

  • Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.

Así podemos definir la EP de la siguiente manera: Electrónica de Potencia es la parte de la electrónica encargada del estudio de dispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos para el procesamiento, control y conversión de la energía eléctrica.

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

• • La forma en que se suministra la energía no coincide con la forma en que se desea consumir. Por ejemplo, imagínese la alimentación de un ordenador personal, en el que sus circuitos necesitan alimentación de tensión continua de 3V, 5V, 12V y –12V, pero se parte de la red monofásica alterna (220V, 50Hz). Evidentemente es necesario disponer de un sistema electrónico que transforme dicha energía para adaptarla a las necesidades del equipo que se está alimentado.

  • En determinadas aplicaciones resulta rentable cambiar la forma de la energía, por ejemplo, para transmitirla. Es el caso de la transmisión de energía en corriente continua (CC) trabajando en alta tensión, conocida como transmisión HVDC (High Voltage Direct Current).

  • No se puede hacer de otra forma. Supóngase por ejemplo el sistema de alimentación de un satélite. Éste está formado por baterías, las cuales pueden cargarse mediante paneles solares. En este caso es necesario un sistema electrónico que adapte dichas necesidades.

  • Se requieren nuevas prestaciones por parte de los consumidores de energía. Por ejemplo, el caso de de la conversión de una tensión alterna CA fija que llega a una industria proveniente directamente de una subestación, en una tensión variable en amplitud y frecuencia, necesaria para el control de la velocidad y del accionamiento de motores de una correa transportadora.

Como se puede notar en este último ejemplo, la EP es un área multidisciplinar, ya que para realizar la operación citada se debe tener conocimiento de máquinas (motor CA), control y de electrónica.

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

• • POTENCIA refiriéndose a equipos para operación y distribución de potencia eléctrica.

  • ELECTRÓNICA refiriéndose a dispositivos de estado sólido y circuitos para procesamiento de señal para alcanzar los objetivos de control deseados.

  • CONTROL refiriéndose a las características estáticas y dinámicas de sistemas de lazo cerrado.

Es la Electrónica Industrial quien estudia la adaptación de sistemas electrónicos de potencia a procesos industriales. Siendo un sistema electrónico de potencia aquel circuito que se encarga de controlar un proceso industrial, donde interviene un transvase y procesamiento de energía eléctrica entre la entrada y la carga, estando formado por varios convertidores, transductores y sistemas de control, los cuales siguen hoy en día evolucionando y creciendo constantemente.

El campo de la Electrónica de Potencia puede dividirse en grandes disciplinas o bloques temáticos, la figura 1.2 muestra los bloques temáticos que comprende la EP y nos muestra su relación con la electrónica Industrial.