Robert Piqué López - Electrónica de potencia

Por otro lado, existen numerosos dispositivos o cargasque requieren la utilización de energía eléctrica en las formas más diversas, por ejemplo:

Tensión continua de valor constante.

Tensión continua de valor medio variable.

Tensión alterna de valor eficaz y frecuencia variables.

Tabla 1.3.Algunas cargas de continua de baja potencia y sus necesidades de alimentación a tensión constante.

De estas dos consideraciones se desprende la necesidad de los convertidores de energía eléctrica, o procesadores de energía eléctrica,que permitirán adaptar, según necesidad, la fuentea la carga.Esta adaptación exigirá unas veces cambiar la forma de la energía (convertidores continua-alterna y convertidores alterna-continua), mientras que otras veces exigirá cambiar alguna de sus características conservando la forma (convertidores continua-continua y convertidores alterna-alterna).

Si bien la conversión de energía eléctrica ya fue resuelta, en buena parte, mediante sistemas electromecánicos, estos fueron rápidamente desplazados por los sistemas estáticos, desplazamiento provocado, sobretodo, por los progresos conseguidos, en los años 60 del siglo pasado, en el campo de los componentes electrónicos de potencia.

Actualmente, casi toda conversión de energía eléctrica se realiza mediante un convertidor estático.

En la figura 1.4 se indican los diferentes tipos de conversión de energía junto con el nombre habitual del convertidor estático que la realiza.

Figura 1.4. Convertidores estáticos de energía. Clasificación funcional.

En esta figura E1 y E2 son dos valores diferentes de tensión continua, mientras que V1, f1 y V 2, f son las tensiones (eficaces) y las frecuencias que caracterizan dos sistemas diferentes de tensión alterna.

Se deberá exigir de un convertidor que su rendimiento sea máximo, es decir, que la transferencia de energía de la fuente a la carga se haga con el mínimo gasto energético en el convertidor.

Otra forma de clasificar los convertidores estáticos es a partir del signo de la tensión y de la corriente de su salida (véase la figura 1.5.a), considerando que el sistema cede energía a una carga determinada. Así, teniendo en cuenta la puerta de salida del convertidor se establece que:

Si la tensión de salida es unipolar (no cambia su polaridad) y la corriente es unidireccional (un único sentido de circulación), al convertidor estático se le puede asignar una zona de funcionamiento en el primer cuadrante de un sistema de ejes tensión-corriente, denominándose funcionamiento en primer cuadrante o convertidor de un cuadrante.

Si la tensión de salida es bipolar, y la corriente de salida es unidireccional, o bien la tensión de salida es unipolar y la corriente bidireccional, se denominan convertidores de dos cuadrantes, reversible en tensión o reversible en corriente respectivamente.

Finalmente, si la tensión de salida es bipolar y la corriente de salida es bidireccional se dice que el convertidor presenta un funcionamiento en cuatro cuadrantes.

Figura 1.5. Convertidores estáticos. Clasificación según los cuadrantes de funcionamiento. a) El convertidor y su puerta de salida, b) funcionamiento en un cuadrante, c) en dos cuadrantes, reversible en tensión, d) en dos cuadrantes, reversible en corriente, y e) en cuatro cuadrantes.

El funcionamiento en cuadrantes de los convertidores estáticos está íntimamente relacionado, como se verá en capítulos posteriores, con la naturaleza y características de la fuente, la carga y el tipo de interruptores que lo constituyen.

De los apartados anteriores se pueden extraer las siguientes conclusiones:

Un convertidor estático (o procesador estático de energía) es un sistema que permite controlar la transferencia de energía o la potencia entre un generador (fuente) y un receptor (carga). Es necesario precisar que esta transferencia puede ser reversible. Por ello, en caso de reversibilidad, se hablará de fuente de entrada y fuente de salida, en lugar de generador y receptor. En efecto, en funcionamiento reversible, la fuente de salida trabaja como generador, mientras que la fuente de entrada lo hace como receptor.

El objetivo fijado de máximo rendimiento en un convertidor estático descarta la utilización de elementos disipativos como, por ejemplo, los resistores óhmicos. Sin embargo, no descarta la utilización de condensadores e inductores, ya que estos son elementos reactivos (no disipa-tivos). Naturalmente, esta última afirmación sólo es cierta para componentes ideales. Todo condensador y todo inductor tendrá pérdidas, por lo que un convertidor se deberá realizar con componentes en los que las pérdidas sean mínimas.

También, por haber fijado el objetivo de máximo rendimiento, queda descartada la utilización de semiconductores trabajando en régimen lineal, dado que estos presentan, asimismo, un comportamiento disipativo. Es conocido que este modo de funcionamiento da lugar a unas elevadas pérdidas en el semiconductor que en un convertidor estático seria inadmisible.

Por ello, se desprende que el componente idóneo para ser utilizado en un convertidor estático es el interruptor ideal,un componente capaz de presentar dos estados de funcionamiento:

Estado de conducción (ON) en el que i ≠ 0 y u = 0, correspondiéndose al de un interruptor ideal cerrado (cortocircuito).

Estado de bloqueo (OFF) en el que i = 0 y u ≠ 0, correspondiéndose al de un interruptor ideal abierto (circuito abierto).

Figura 1.6. Interruptor ideal y su característica tensión-corriente.

En la característica tensión-corriente del interruptor ideal (figura 1.6) se representan dos rectas. La recta vertical (u = 0) de la característica se corresponde al estado de conducción, mientras que la horizontal (i = 0) se corresponde al estado de bloqueo. No obstante, dado que el interruptor únicamente puede permanecer cerrado (estado de conducción) o abierto (estado de bloqueo), ambos estados son excluyentes. Cuando dicho interruptor trabaja en régimen de conmutación,su punto de trabajo va pivotando, cíclicamente, entre las rectas u = 0 e i = 0, siendo este el funcionamiento necesario para poder realizar el procesado de potencia.