Unidad I. Sistemas de electrónica de potencia

Generalidades

Introducción La Electrónica de potencia es la parte de la electrónica que

se encarga del control y la conversión de la energía eléctrica; 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 carga.

En términos generales, la tarea de la electrónica de potencia es procesar y controlar el flujo de energía eléctrica mediante el suministro de voltajes y corrientes en una forma óptima para las diversas cargas.

Diagrama de bloques de un sistema de electrónica de potencia

Introducción Ejemplo de aplicación

Se requiere de un aporte elevado de energía eléctrica Es necesario controlar con toda precisión la energía aportada al sistema Los circuitos electrónicos de potencia serán los encargados de dosificar

correctamente la energía suministrada al proceso industrial, convirtiéndola de un tipo a otro o adecuándola a las necesidades específicas del proceso

Las demás señales que se observan son objeto de diferentes tratamientos, en diferentes bloques, con la finalidad de conseguir que el proceso actúe de acuerdo con lo esperado.

Esquema de bloques de un sistema automático

Introducción Campos que abarca la electrónica de potencia

La naturaleza interdisciplinaria de la electrónica de potencia

Interruptores electrónicos La electrónica de potencia se basa principalmente en la

conmutación de dispositivos semiconductores actuando como interruptores. Un interruptor electrónico se caracteriza por tener dos estados, activado (on) y desactivado (off), lo que idealmente se corresponde con un cortocircuito y un circuito abierto, respectivamente.

Interruptores a base de materiales semiconductores vs. mecánicos:

Mayor flexibilidad y mejores posibilidades de control Mejor estabilidad y mayor velocidad de respuesta Menor mantenimiento, mejor fiabilidad y mayor vida útil Inexistencia del fenómeno de arco eléctrico Menor coste y mayor robustez

Control de la energía suministrada a una carga

Interruptores electrónicos Dispositivos semiconductores de potencia

Diodos Son dispositivos de conducción y bloqueo unidireccionales y de conmutación natural, que presentan pocas pérdidas en conmutación.

Tiristores Son elementos que habitualmente permiten un control al encendido y un apagado natural, y que presentan el denominado cebado, un fenómeno regenerativo que permite que una vez alcanzado el estado de conducción, se pueda eliminar la aportación energética al electrodo de control, permaneciendo en conducción hasta que se produce su apagado espontáneo.

Transistores Son dispositivos de conducción y bloqueo de conmutación controlada, que maximizan las pérdidas en conmutación. Disponen de un electrodo de control para gobernar su cierre o su apertura.

Símbolos de los principales dispositivos utilizables en Electrónica de Potencia

Tipos de circuitos de potencia Para el control o el acondicionamiento de la potencia eléctrica,

es necesaria la conversión de una onda de corriente o de voltaje de una forma, o nivel, en otro; los circuitos empleados para tal efecto se denominan convertidores estáticos de potencia.

Clasificación: Convertidores ca-cd Convertidores cd-cd Interruptores estáticos

Convertidores CA-CC

Convertidores ca-ca Convertidores cd-ca

Convertidor ca-cd monofásico

Tipos de circuitos de potencia

Convertidores CA-CA

Convertidores CC-CC

Convertidor ca-ca monofásico

Convertidor cd-cd

Tipos de circuitos de potencia

Convertidores CC-CA

Interruptores estáticosConvertidor cd-ca monofásico

Diagrama de bloques de una fuente de poder ininterrumpible (UPS, uninterruptible power supply)

Alcance y aplicaciones Las aplicaciones de los circuitos electrónicos de potencia

abarcan desde los equipos de conversión de alto poder, como los sistemas de transmisión de corriente continua en alto voltaje (HVDC) y los sistemas de impulsión de vehículos, hasta aparatos de uso común, como por ejemplo, las fuentes de alimentación de los ordenadores portátiles y los equipos móviles de comunicación operados por baterías. Los niveles de procesamiento de energía van desde los milivatios hasta los megavatios (o más).

Aplicaciones de la electrónica de potencia

Ejercicios Defina los siguientes conceptos: Electrónica de potencia,

convertidor estático y tiristor.

Una fuente de tensión alterna genera un voltaje V, como se muestra a continuación. Suponiendo que se desea aplicar la tensión , mostrada en la parte inferior de la figura, a una carga resistiva de , y obtenida a partir de la fuente en conjunto con la utilización de dos interruptores ideales, y , uno en serie con , y otro en paralelo con , realice lo que se pide:

Ejercicios a) Dibuje el esquema del circuito que resuelva la aplicación planteada

b) Determine las señales de control a imponer a los interruptores para el correcto funcionamiento del sistema, sabiendo que ambos deben tener un control complementario

En la figura se representa el esquema de principio de una fuente de alimentación basada en un regulador lineal de tensión. Dicho regulador impone una tensión de salida constante de valor , que se aplica a la carga , siendo . Realice lo siguiente:

Ejercicios a) Compruebe la existencia de un camino de potencia (pérdida de potencia en forma de calor entre dos puntos de un sistema, debido a una diferencia de potencial y una circulación de corriente no nulas) entre la entrada y la salida del regulador de tensión

b) Encuentre el rendimiento del sistema ()

Tarea 1 Escriba una breve reseña de la historia de la electrónica de

potencia, sus inicios, avances e investigaciones actuales.

El sistema de transmisión de energía eléctrica a través de líneas de alta tensión de CC (HVDC) y el sistema de transporte de levitación magnética (MAGLEV) son ejemplos de la aplicación de la electrónica de potencia en diversos campos, debido a la gran cantidad de energía relacionada con cada uno de ellos. Investigue en qué consisten estos sistemas y realice una breve nota.

El siguiente circuito muestra una alternativa al esquema representado, en el ejercicio anterior, del regulador de tensión. En este caso, se opta por la utilización de un interruptor ideal funcionando en régimen de conmutación. Si durante el período de conmutación , el interruptor se encuentra cerrado la mitad del tiempo, y abierto el resto del periodo, haga lo que se pide:

Tarea 1 a) Compruebe que el interruptor no introduce camino de potencia

b) Calcule el rendimiento del sistema