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Electrónica de potencia (a modo de definición)

La electrónica de potencia es la rama de la electrotecnia que se encarga del estudio de los

circuitos electrónicos util izados para controlar el flujo de la energía eléctrica.

Comparación entre un Sistema Electrónico procesador de información y un Sistema Electrónico

de Potencia, procesador de energía.

Por convención se asume que el puerto de entrada es el situado a la izquierda del dibujo y el de salida

es el situado a la derecha.

Si la energía fluye siempre del puerto de entrada al de salida, la conversión es unidireccional.

Si la energía puede fluir en ambas direcciones el

conversor es bidireccional. En este caso la distinción entre el puerto de entrada y el de salida es arbitraria.

Las flechas indican el sentido del flujo de energía o información, y el grosor de las l íneas los niveles de potencia relativos.

Estructura genérica de un sistema electrónico de

potencia.

Por razones tecnológicas evidentes no es conveniente (ni tal vez siquiera posible) interconectar directamente

elementos con niveles de potencia en sus terminales significativamente distintos, lo que obliga a mantener

una separación galvánica entre tres subconjuntos dentro del sistema electrónico de potencia:

1.- Subconjunto de “alta” potencia (los elementos de

conexión directa entrada-salida).

2.- Subconjunto de “media” potencia (los elementos de interconexión entre “potencia” e “información”).

3.- Subconjunto de “baja” potencia (los elementos de

manejo de información).

Pf (t) =Vf (t)I f (t)Pc(t) =Vc(t)Ic(t)Pcontrolador (t) = Pf (t)− Pc(t) > 0

ηsistema =Pc(t)Pf (t)

<1

ΔVcontrolador (t) =Vf (t)−Vc(t)Icontrolador (t) = I f (t)

De esta situación general, resultan los siguientes condicionantes absolutos de la etapa de manejo de potencia en un circuito de electrónica de potencia

1.- Debe bloquear la máxima tensión posible en el sistema fuente-carga, con un margen de seguridad

adecuado incluso durante las fallas previsibles.

2.- Debe conducir la máxima corriente posible en el sistema fuente-carga, con un margen de seguridad

adecuado incluso durante las fallas previsibles.

3.- La potencia disipada debe ser la mínima posible.

Minimizar la potencia disipada en el conversor es imprescindible por tres razones:

1.- La potencia se disipa principalmente (tal vez

únicamente) como energía térmica, lo que aumenta la temperatura de los componentes. Este aumento nunca

debe superar la temperatura crítica de operación (usualmente por debajo de los 150ºC). De lo contrario los dispositivos pueden ser dañados irreparablemente.

2.- El costo de la energía disipada debe incluirse en los

costos de operación del sistema, y si estos son excesivos el sistema no podrá operar.

3.- Por principio de buen diseño de ingeniería debe

evitarse el desperdicio innecesario de energía, independientemente del costo de la misma.

De la tercera condicionante resultan las siguientes conclusiones genéricas aplicables a la topología de

cualquier circuito de circuito de electrónica de potencia:

1.- Idealmente los elementos activos deben operar

siempre en régimen de baja pérdida (corte/saturación). La operación en la zona de

altas pérdidas (región lineal) de sus curvas características solo será permisible en régimen

transitorio durante la conmutación.

2.- El uso de resistencias en serie con el flujo principal de energía debe ser minimizado. Hasta donde sea posible estos elementos nunca deben colocarse en el camino principal de la corriente.

Tipos de dispositivos electrónicos de control de potencia, según la capacidad de control de estado:

1.- No controlados: El estado del dispositivo (encendido/apagado) depende exclusivamente de las condiciones definidas en el circuito externo (diodos).

2.- Semicontrolados: El paso del estado de no conducción al de conducción (encendido) depende de las

condiciones definidas en el circuito externo y de la acción de un terminal auxil iar de control. El paso del estado de conducción al de no conducción (apagado)

solo depende de las condiciones definidas en el circuito externo (SCR/Tiristores).

3. Completamente controlados: El estado del dispositivo (encendido/apagado) depende de las condiciones

definidas en el circuito externo y de las acciones de un terminal auxil iar de control (BJT-MOSFET-IGBT-GTO).

“Árbol genealógico” de los principales dispositivos electrónicos de

control de potencia

Arriba: SCR Medio: GTO

Abajo: IGBTs en una oblea antes de la separación en componentes individuales.

Circuitos de potencia “híbridos” sobre sustrato capaz de proporcionar aislamiento eléctrico con buena conductividad térmica

Distintas etapas de elaboración de un híbrido de potencia

Híbridos “inteligentes” con inclusión de circuitos de potencia

intermedia en el empaque de potencia.

Sistema universal de conversión para desarrollos de Electrónica de Potencia

Plataforma, el Sistema Conversor AC-DC-AC experimental desarrollado por el Grupo de

Sistemas Industriales y Electrónica de Potencia.

Diagrama de bloques del sistema conversor Plataforma.

Etapa de potencia de Plataforma, mostrando los conmutadores controlados de potencia

(IGBTs) que forman el conversor DC-AC y el rectificador trifásico (conversor AC-DC).

Etapa de control de Plataforma, mostrando el DSP comercial (abajo) y la tarjeta de interfaz de diseño propio en base a dispositivos FPGA

(arriba).

Áreas de Aplicación

I.- Control directo de la energía eléctrica.

Electroquímica: Conversión AC-DC, alta corriente (kA+), baja tensión (V), alta potencia

(MW+).

Corte esquemático de una celda de reducción de

alúmina, 320kA (VENALUM).

Control de sistemas eléctricos de

transmisión y distribución.

Transmisión de energía DC en alto voltaje (HVDC: High Voltage DC): muy alta tensión (400kV a 1MV+), alta corriente (kA), muy alta potencia (GW). Conversión AC-DC en la estación de

transmisión y DC-AC en la de recepcíon.

Esquema en bloques (parcial) de una estación de emisión HVDC.

Válvula DC/AC estación HVDC de recepción, conexión Shin-

Shinano (Japón) 300MW, 125kV DC, 1200A DC.

Sistemas de transmisión de energía eléctrica flexibles (FACTS: Flexible AC Transmission Systems): muy alta

tensión (desde varios centenares de kV a 1MV+), alta corriente (kA), alta potencia (MW). Conversión AC-AC directa.

Vista de una de las tres fases del sistema FACTS (tipo TCSC) de la subestación

Kayenta (USA) con 45MVA de capacidad de compensación.

Sistemas de generación de energías alternativas con salida DC (fotovoltaica y celdas de combustible):

potencias bajas/altas (desde fracción de kW hasta decenas MW), voltajes (V a centenas V) y corrientes

(desde A hasta miles A). Conversión DC-DC para obtención de energía y DC-AC para su uso.

"Barrio solar" en Friburgo, Alemania.

Proyecto "Casa Solar"

Grupo Energías Alternativas y Grupo de Sistemas Industriales y Electrónica de Potencia

La "Casa Solar" en la USB.

1.- Trabajo inicial: Proyecto de grado de Ingeniería de María Gabriela Gómez y Alejandro Fermín, tutor Víctor Manuel

Guzmán, titulado "Diseño de un sistema de suministro de energía eléctrica usando celdas solares para viviendas en localidades remotas", marzo 2007.

2.- Proyecto básico.

Los profesores Julio Walter, Gerardo Ceglia, María Isabel Giménez, Víctor Manuel Guzmán presentan el proyecto

"Generador Solar para Electrificación Rural" en la primera convocatoria de la LOCTI. El proyecto es probado en 2007.

Logros: Diseño básico del sistema, selección y compra de los paneles solares y de los electrodomésticos para

la "casa solar" que servirá para experimentación y demostración.

Se asigna espacio en el Laboratorio "C" para realizar las instalaciones necesarias (paneles, sala de máquinas,

área de trabajo-demostración.

Problemas: Aumento en el diferencial cambiario impide adquirir baterías, componentes electrónicos y

materiales necesarios para la instalación.

3.- Proyectos complementarios. Dentro de las actividades del Grupo de Sistemas Industriales

y Electrónica de Potencia, financiadas en parte por el proyecto "Desarrollo de convertidores electrónicos de

potencia para el mejoramiento de la eficiencia energética y la incorporación de fuentes alternativas de energía" del MPPCTII aprobado en 2012 y en parte por el Fondo de

Grupos de Investigación del Decanato de Investigación y Desarrollo se han hecho trabajos sobre inversores

conectados a la red, filtrado activo y control tipo DPC (Direct Power Control), directamente aplicables a los

inversores de los sistemas fotovoltaicos y dos métodos novedosos de seguimiento del punto de máxima potencia

(MPPT).

4.- Situación actual.

Gracias al apoyo del Decanato de Investigación y

Desarrollo este año se han adquirido las vigas necesarias para construir la estructura de apoyo de los paneles en la

terraza del edificio del Laboratorio "C" (edificio ELE), según diseño del Prof. Julio Walter.

Sistemas generadores de velocidad variable y frecuencia constante (VSCF): frecuencia de salida fija (50/60 Hz,

generadores eólicos; 400 Hz, generadores aeronáuticos), potencia media/alta (kW a MW).

Sistemas industriales de calentamiento inductivo o capacitivo: alta frecuencia (kHz a MHz), alta potencia

(kW a MW). Conversión AC-DC-AC.

Fuentes de alimentación ininterrumpida (FAI-UPS) para

aplicaciones electrónicas: amplia gama de potencias (desde centenares de VA hasta MVA), voltajes (120 V a

kV) y corrientes (A a kArms).

Carga de bancos de baterías: baja tensión (decenas a centenas de V), puede ser alta corriente y alta potencia.

Banco de baterías de un submarino. Potencia pico 500kW

Áreas de Aplicación

I I.- Control de movimiento con motores eléctricos.

A.- Máquinas herramienta en la industria.

Control de motores DC industriales: amplia gama de potencias (desde fracción de HP hasta kHP), voltajes (decenas V a kV) y

corrientes (A a kA). Conversión AC-DC.

Conjunto de motores DC de un tren reversible de laminación de

acero en caliente 22.000HP de potencia total.

Horno rotatorio para producir cemento, motor de

6MW controlado por un cicloconversor. Conversión directa AC-AC.

Control de robots industriales. Conversión AC-DC-AC.

B.- Ferrocarriles y sistemas de tránsito urbano

(Metro, tranvías).

Esquema del sistema de potencia de una locomotora eléctrica moderna. Conversión AC-DC-AC.

Sistemas de alimentación de redes de tránsito urbano: tensiones medias (400 a 1500 V), alta potencia distribuida

(MW+ en múltiples estaciones). Conversión AC-DC.

Unidad conversora AC/DC de 1300kW para una subestación de METRO.

Control de motores DC de tracción en redes de tránsito urbano: tensiones medias (400 a 1500 V), potencia media/alta (hasta kHP, posiblemente múltiples ejes motrices con motores

individuales). Conversión DC-AC.

Sistema de tracción del Metro de Caracas Línea I. Izquierda: modo

motor. Derecha; modo freno

C.- Vehículos Eléctricos (EV) e Híbridos Eléctricos (HEV).

Camión híbrido para basura.

Camiones híbridos diesel-eléctricos con conexión a red. Conversión AC-DC-AC.

Chasis de autobús eléctrico con el motor y el banco de baterías instalado. Conversión DC-AC.

Carro Híbrido eléctrico y moto eléctrica.

Vehículo híbrido-eléctrico experimental de la USB.

Colaboración Laboratorio de Dinámica de Máquinas- Grupo de Sistemas Industriales y

Electrónica de Potencia.

D.- Barcos de propulsión Híbridos Eléctricos (HEV).

E.- Actuadores eléctricos en aviación.

F.- Equipos electrodomésticos de alto rendimiento. Conversión AC-DC-AC.

Esquema de potencia de un aire acondicionado moderno de alta

eficiencia energética.

Evolución de las tecnologías aplicadas a la Electrónica de Potencia.

Fechas aproximadas, solo se incluyen los dispositivos no experimentales que lograron penetración en el mercado.

Tendencia general en la relación potencia/frecuencia de conmutación de los dispositivos existentes.

Aumento progresivo de la complejidad en la estructura semiconductora.

Arriba: SCR; Medio: GTO; Abajo: IGBTs en una oblea antes de la

separación en componentes individuales.

Tendencia en el desarrollo de los componentes de potencia basados en

la tecnología del Sil icio: Desarrollo de módulos con múltiples conmutadores.

Circuitos de potencia sobre sustrato capaz de proporcionar aislamiento

eléctrico con buena conductividad térmica

Volumen del mercado de MOSFETs e IGBTs en

bil lones americanos

€

109( ) de dólares, medido hasta

2016 y estimado hasta 2021.