Robert Piqué López - Electrónica de potencia

Electrónica de PotenciaPrincipios Fundamentalesy Estructuras Básicas

Eduard Ballester - Robert Piqué

Electrónica de Potencia

Principios Fundamentales y

Estructuras Básicas

Eduard Ballester - Robert Piqué

Universitat Politècnica de Catalunya

Departament d’Enginyeria Electrònica

Escola Industrial de Barcelona

Grupo de Electrónica de Potencia y Accionamientos Eléctricos

PERC-Power Electronics Research Center

Electrónica de Potencia

Primera edición, 2011

© 2011 Eduard Ballester - Robert Piqué

© 2011 MARCOMBO, S.A.

Gran Via de les Corts Catalanes, 594

08007 Barcelona

www.marcombo.com

Diseño y maquetación: Pol Creuheras Borda - Paende

Diseño de la cubierta: NDENU DISSENY

«Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra».

ISBN: 978-84-267-1873-0

D.L.: BI-63-2011

Impreso en Gráficas Díaz Tuduri

Printed in Spain

Este libro está dedicado a sus lectores en general,

y a Anna, Laura y Maria en particular, que,

aunque no sean lectoras del mismo, son nuestras hijas

La Electrónica de Potencia trata de la conversión estática de energía eléctrica priorizando el rendimiento de la conversión.

Hasta hace poco esta disciplina no estaba implícitamente incluida en los planes de estudio de Ingeniería, ya que formaba parte de la denominada Electrónica Industrial, dividida, a su vez, en Electrónica de Señal o de Procesado de Información, como la Electrónica Digital y la Electrónica Analógica, y en Electrónica de Potencia. No es hasta la década de los 90 que los planes de estudio reformados de la rama de Ingeniería Industrial introducen la Electrónica de Potencia como una disciplina con entidad propia y diferenciada de las “otras electrónicas”.

Este es un texto que pretende, únicamente, ser una ayuda en el aprendizaje de la Electrónica de Potencia en una etapa formativa inicial. Por ello se ha estructurado en tres partes bien diferenciadas:

Introducción: en la que se asientan los aspectos conceptuales de la Electrónica de Potencia que deben permitir el seguimiento de aspectos más avanzados. Se desliga esta disciplina de la antigua electrónica de corrientes fuertes y se aproxima a la electrónica de conversión eficiente de energía eléctrica.

Segunda parte: dedicada a las estructuras de conversión estática más utilizadas, que se analizan de acuerdo con su clasificación convencional: CC-CC, CC-CA, CA-CC y CA-CA.

Última parte: muy somera, en la que se asientan los principios básicos del control convencional de convertidores en lazo cerrado.

En cualquier caso se ha pretendido una aproximación práctica a los aspectos teóricos desarrollados en el texto mediante la utilización del simulador PSIM ®.

Los autores pensamos que los contenidos de este texto están adecuados al aprendizaje de los mismos en una asignatura de 6 créditos ECTS, como las muchas que existen en las nuevas titulaciones de grado, de acuerdo a las directrices de Bolonia. Ésta ha sido la intención inicial en el desarrollo de esta obra. Nuestra satisfacción será grande si se cumplen estos pronósticos. Y mayor aún si algunos de los lectores de este texto se animan a seguir profundizando estudios en una disciplina tan apasionante.

La editorial Marcombo pone a disposición de los estudiantes y docentes que utilicen este texto un blog dedicado al libro y a la electrónica de potencia para el intercambio de información sobre contenidos, metodologías, programación de actividades y otro material didáctico en consonancia con los temas desarrollados y con los ejercicios propuestos en el texto. Dicho blog lo podrán encontrar en el apartado de blogs de la web www.llibreriaha.com.

La satisfacción de los autores será completa si este texto resulta útil para la adquisición de conocimientos en Electrónica de Potencia. Esta ha sido la idea inicial y sería un fracaso que no fuese así.

Eduard Ballester - Robert Piqué

Barcelona, marzo de 2010

La Electrónica de Potencia es una disciplina que estudia, esencialmente, los dispositivos, circuitos y sistemas que se encargan de modificar el formato de la energía eléctrica, para adaptarlo desde su forma original a las necesidades de diferentes tipos de cargas. Es importante recalcar que el presente texto aparece en un momento en el que esta disciplina adquiere un protagonismo muy relevante en la formación de los futuros ingenieros eléctricos y electrónicos. Como el resto de las disciplinas electrónicas, la Electrónica de Potencia ha seguido un desarrollo continuado desde los años cincuenta hasta nuestros días, marcado inicialmente por la aparición del tiristor y en la actualidad por el gran desarrollo de diversos dispositivos de puerta aislada.

Sin embargo, en pocos momentos de la historia de la electrónica ha sido tan reconocida su importancia como en la actualidad. Este protagonismo se manifiesta en ámbitos muy variados, que van desde el doméstico hasta el industrial. Así, hoy en día es fácil encontrar en un domicilio estándar decenas de circuitos electrónicos de potencia, que van desde las fuentes conmutadas, omnipresentes en todo tipo de productos electrónicos de consumo (receptores de TV, DVDs, equipos de música, ordenadores, cargadores de baterías de teléfonos móviles, etc.) hasta los pequeños inversores incorporados a las llamadas “bombillas de bajo consumo” o los controladores que permiten variar la velocidad de un taladrador o la intensidad luminosa de una lámpara halógena. Está claro que la Electrónica de Potencia para aplicaciones comprendidas entre unos pocos vatios y un kilovatio ha penetrado en el hogar del ciudadano medio. A su vez, este ciudadano medio está, a día de hoy, preocupado por asuntos que relacionan su calidad de vida con la energía y el medio ambiente. Al decir energía nos referimos, en gran medida, a la energía eléctrica, que es el tipo de energía que mueve los motores de las fábricas, ilumina ciudades y hogares y transporta una parte importante de los productos que consumimos. La Electrónica de Potencia juega un papel muy relevante en la gestión eficiente de esta energía, ya que frecuentemente hay que adaptarla o dosificarla convenientemente antes de que pueda ser usada, siendo circuitos electrónicos de potencia los encargados de efectuar tal misión. La generalización del uso de buenos convertidores electrónicos de potencia (eficientes, versátiles y rápidos) es una buena medida de ahorro energético.

En la actualidad, sin embargo, hay otros importantes factores que hacen de la Electrónica de Potencia una disciplina crucial para poder compatibilizar la calidad de vida de las sociedades desarrolladas con un menor consumo de combustibles fósiles. En particular, muchas de las potenciales fuentes de energía completamente desligadas de la quema de combustibles fósiles entregan energía en formatos muy variables en el tiempo, de forma que su adaptación a las cargas habituales requiere el concurso ineludible de convertidores electrónicos de potencia. La energía eléctrica obtenida del viento, del sol (por vía fotovoltaica) y del movimiento de masas de agua marina son claros ejemplos de esto.