Robert Piqué López - Electrónica de potencia

A título de ejemplo, y como cierre de este apartado, la figura 1.17 muestra la comparativa entre la implementación de un ondulador trifásico de 460 V/22 kW, realizado con IGBTs de Si de 5 ageneración (Powerex/Mitsubishi, año 2002) y la realización (predicción para 2010) en un futuro inmediato del mismo convertidor pero utilizando MOSFETs de SiC. En ambos diseños se utilizan dispositivos de 1,2kV/100 A, pero la utilización de SiC permite disminuir el volumen a 1/3, mejorar las pérdidas en un factor de 0,4, y alcanzar una temperatura máxima en la unión de los semiconductores de SiC de 250 °C, en lugar de los 125 °C permitidos, a lo sumo, en los semiconductores de Si, lo que comporta, además, prescindir de ventiladores (disipación de calor por convección forzada) y utilizar una convección natural.

Figura 1.17. Aumento de la densidad de potencia (Cortesía de Powerex ).

Un convertidor estático, como elemento procesador de energía eléctrica, no acostumbra a trabajar solo (formalmente trabajo en lazo abierto),sino que acostumbra a funcionar con otros subsistemas en lo que se denomina funcionamiento o trabajo en lazo cerrado.Véase la figura 1.18.

Figura 1.18. El convertidor estático funcionando en lazo cerrado.

Así, mediante un trabajo en lazo cerrado, se consigue un funcionamiento automático del convertidor estático, que deberá procesar la potencia de entrada de acuerdo con los requerimientos de la carga conectada a su salida, manteniendo dicha salida a los valores deseados.

Habitualmente se pretende que la salida del convertidor (tensión, por ejemplo) se mantenga constante frente a variaciones de la carga o perturbaciones externas al sistema. Para ello, se aplica una señal de referencia o Consignaque indica las características a imponer a la salida.

En el lazo de realimentación,una electrónica de procesamiento de señal (Sensadoen la figura 1.18) debe captar los parámetros de interés para que la electrónica de Controldel encendido y apagado de los interruptores actúe correctamente con la finalidad de mantener la salida deseada.

Por ello, se deduce que la Electrónica de Potencia presenta una naturaleza claramente interdisciplinar, ya que debe contemplar, para la implementación de los bloques indicados anteriormente, contacto directo con otras disciplinas y tecnologías, entre las que destacan:

a) En relación con el convertidor estático:

Electrónica analógica y digital.

Sistemas microcomputadores o procesadores digitales.

Teoría de regulación y control de sistemas.

Estructuras de conversión estática de energía.

Semiconductores y otros componentes propios de la Electrónica de Potencia.

Figura 1.19. Naturaleza interdisciplinar de la Electrónica de Potencia, según el experto William E. Newell (Westinghouse Research Lab). (Cortesía de Powerex ).

b) Externas al convertidor estático:

Relativas a las distintas fuentes aportadoras de energía, como por ejemplo baterías de acumuladores, sistemas de conversión fotovoltaica o líneas de distribución en alterna.

Distintas cargas, tales como equipos electrónicos o convertidores electromecánicos de energía eléctrica que deben ser controlados adecuadamente.

El hecho de que este texto, de acuerdo con un primer curso de Electrónica de Potencia, se centre en el convertidor estático en lazo abierto, no debe estar, pues, en contradicción con la naturaleza interdisciplinar de la Electrónica de Potencia.

Figura 1.20. La relación de la Electrónica de Potencia con otras disciplinas, según Ned Mohan (Universidad de Minneapolis ).

La Electrónica de Potencia se aplica, en la actualidad, a un entorno muy amplio de necesidades que responden a las exigencias del mercado. Entre estas, las más importantes son las siguientes:

a) Alimentación de equipos y sistemas electrónicos

Muchos sistemas y equipos, tales como instrumentación electrónica, sistemas de entretenimiento u ordenadores personales, requieren una alimentación a tensión constante, a voltajes cada vez menores en el caso de ordenadores personales, que debe ser obtenida a partir, de una alimentación generalmente, en tensión alterna obtenida de la línea de distribución. La conversión energética necesaria requiere de un rendimiento óptimo, y cae plenamente en el ámbito de la Electrónica de Potencia.

Figura 1.21. Esquema en bloques de una fuente de alimentación conmutada.

b) Fabricación flexible y robótica

La competitividad del mercado obliga a automatizar las cadenas de producción, para conseguir productos que respondan a las exigencias de los consumidores en un tiempo cada vez menor (prototipaje rápido y producción flexible). En este campo de aplicación se utilizan robots especializados en ciertos procesos de montaje así como diversos elementos mecánicos. En este caso se deben controlar actuadores mecánicos, como motores eléctricos, que en muchas ocasiones requieren de energía eléctrica procesada a través de convertidores estáticos, para conseguir una determinada velocidad de movimiento, o un posicionamiento preciso. Ello se consigue con los denominados accionamientos eléctricos,sistemas formados por el motor, el convertidor estático y el bloque de control.

Figura 1.22. Esquema en bloques de un accionamiento eléctrico.

c) Caldeo inductivo

El caldeo inductivo es necesario en diversas aplicaciones industriales, tales como fusión, forja, sellado de envases, soldadura o fabricación de semiconductores, además de ser necesario en algunas aplicaciones domésticas como en cocinas de inducción.

La excitación mediante una tensión alterna, que en ocasiones puede tomar valores muy elevados (de hasta 100 kV), de una inductancia con un núcleo ferromagnéticò de elevadas pérdidas, provoca que este desprenda calor. Para conseguir el funcionamiento adecuado, es necesaria la utilización de ciertos procesadores de energía, como los convertidores de continua a alterna resonantes.

Figura 1.23. Esquema de un sistema de caldeo inductivo (Cortesía de Renesas ).