Robert Piqué López - Electrónica de potencia

d) Energía y sostenibilidad

La utilización de combustibles fósiles se ha demostrado que presenta serios inconvenientes medioambientales que pueden comportar consecuencias desastrosas. Por ello, el binomio energía y sostenibilidad es un campo emergente con necesidades que crecen día a día y dónde la Electrónica de Potencia juega un papel muy importante.

Quizá sea en estos campos de aplicación donde se hacen más evidentes dos aspectos fundamentales de la Electrónica de Potencia, como son el aumento de la eficiencia en la conversión energética, y el aumento de la densidad de potencia, es decir, el manejo de potencias cada vez mayores en volúmenes cada vez más pequeños.

Veamos algunos ejemplos de estos campos de aplicación.

Procesado de energía a partir de fuentes renovables

La utilización de fuentes renovables para producción de energía eléctrica, como el sol o el viento, debe permitir un modelo de generación distribuida de energía contrapuesto al modelo actual de generación centralizada, en un contexto de sostenibilidad. En estos sistemas de generación distribuida de energía, se requieren los convertidores estáticos para procesar eficientemente la energía desde las fuentes renovables hasta las cargas que deben consumirla.

Figura 1.24. Esquema en bloques de un aerogenerador (Cortesía de ABB ).

Transporte

Ya sea en el ámbito de la tracción eléctrica, como en el caso de vehículos autónomos eléctricos o híbridos, la Electrónica de Potencia juega un papel importantísimo, ya que comporta una menor emisión de gases nocivos a la atmósfera al tiempo que se obtiene una eficiencia muy elevada y la posibilidad, en ciertos casos, de un funcionamiento regenerativo en el que se retorna energía eléctrica hacia la catenaria (caso de tracción ferroviaria) o hacia una batería de acumuladores (caso de vehículos autónomos eléctricos o híbridos).

Figura 1.25. Locomotora eléctrica.

Iluminación de alta eficiencia

En un país industrializado, el consumo de energía eléctrica por iluminación es del orden del 20%. Consecuencia de ello, en diversos países de la Unión Europea se prohibirá, en breve, la venta de lámparas de incandescencia. Es obvio que mejorar la eficiencia de los sistemas de iluminación permitirá disminuir este consumo contribuyendo, así, a un entorno más sostenible. Los balastos electrónicos permiten mejorar el rendimiento de la conversión en este campo de la iluminación de alta eficiencia, ya que permiten substituir el sistema convencional y poco eficiente de reactancia y cebador de los tubos fluorescentes utilizando conversión estática de energía eléctrica.

e) Aplicaciones en el ámbito de la electricidad (electrical utility applications)

Este es un campo en el que la Electrónica de Potencia se utiliza para el procesado de energía eléctrica desde pequeñas potencias hasta potencias enormes.

Transporte en continua de alta tensión

En determinadas zonas geográficas frías, como por ejemplo en los países nórdicos europeos, se puede recurrir a un transporte de energía eléctrica en continua en lugar de realizarlo en alterna. Debido a las bajas temperaturas ambientales, el cable conductor de transporte (cobre o aluminio) presenta una resistencia óhmica muy baja (inferior a 50 mΩ/km), con lo que las pérdidas son mucho menores que en el caso de realizar el transporte en alterna.

En este caso se utilizan tensiones muy elevadas (del orden de 400 kV o más) manejándose potencias superiores a los 500 MW. Para ello, se utilizan convertidores de alterna a continua de muy alta tensión.

Figura 1.26. Esquema de una distribución en alta tensión de continua bipolar.

Sistemas de alimentación ininterrumpida

Algunas cargas de alterna son críticas porque no se puede interrumpir su alimentación, como el caso de sistemas informáticos o alimentación de instalaciones hospitalarias. Los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI),garantizan la continuidad de la alimentación de cargas críticas.

Figura 1.27. Esquema en bloques de un SAI.

En la figura 1.27 se aprecia su diagrama de bloques. A través de la red de distribución, y mediante un convertidor de alterna a continua, se mantiene la batería en un estado de carga adecuado, de forma que si conviene, la carga se alimenta a partir de la batería, mediante la utilización de un convertidor de continua a alterna, en lugar de alimentarse por la línea.

Compensación estática de potencia reactiva

La utilización de interruptores permite mejorar la efectividad de los tradicionales bloques de condensadores para la compensación de energía reactiva, ya que mediante el control adecuado de los interruptores, se optimiza dicha compensación para un margen amplio de las cargas alimentadas, actuándo como un sistema de capacitancia variable.

Figura 1.28. Sistema de aire acondicionado. (Cortesía de Powerex ).

Aplicaciones domésticas y residenciales

Desde pequeños electrodomésticos como batidoras o aspiradoras, a electrodomésticos «blancos» como lavadoras, lavavajillas o frigoríficos, en los que la potencia tratada es mayor, hasta sistemas de gran potencia como los sistemas industriales de aire acondicionado, se pone de manifiesto la necesidad de la Electrónica de Potencia atendiendo, simplemente, a razones de eficiencia energética.

A lo largo de este capítulo se han presentado las características más relevantes de la Electrónica de Potencia: un rendimiento óptimo de los procesadores estáticos de energía eléctrica, conseguido mediante la utilización de dispositivos que puedan funcionar en régimen de conmutación, con la finalidad de no introducir caminos de potencia que, como se ha demostrado, introducen pérdidas en forma de calor.

También se han clasificado los convertidores estáticos bajo dos criterios: de funcionalidad y por cuadrantes.

Se ha realizado un repaso a la tecnología actual de los semiconductores de potencia, así como de las tendencias futuras.

Finalmente, se ha mostrado el carácter interdisciplinar de la Electrónica de Potencia y se han enumerado distintas aplicaciones de esta disciplina.

1.7.1.Definir los siguientes conceptos:

Electrónica de Potencia.

Convertidor estático.

Camino de potencia.

Interruptor.

Régimen de funcionamiento en conmutación.

Trayectoria de conmutación.

SOA.

1.7.2. Responder, de forma concisa, las siguientes cuestiones:

Indicar tres características propias de la Electrónica de Potencia, que la distingan claramente de la electrónica del tratamiento de señales.