CAPITULO 1

ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA”

1.1 HISTORIA

La historia de la electrónica de potencia empezó en el año de 1900 (figura 1.1), con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Luego se descubre el rectificador de tanque metálico, el rectificador de tubo al vacío de rejilla controlada, el ignitrón, el fanotrón y el tiratrón. Estos dispositivos tuvieron su aplicación en el control de la energía hasta la década de 1950 (figura 1.2).

Figura 1.1. Hechos significativos en la evolución de la Electrónica de Potencia.

La primera revolución de la electrónica se inició en 1948 con la invención del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratories. La mayoría de las tecnologías electrónicas avanzadas actuales tienen su origen en este descubrimiento. En 1956, el mismo laboratorio, incorporo el transistor de disparo PNPN, que se definió como un Tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR), figura 1.2.

La Segunda revolución de la electrónica empezó en 1957 con el desarrollo del Tiristor comercial por General Electric Company, figura 1.2. Ese fue el principio de una nueva era en la electrónica de potencia. Desde entonces se han introducido diversos tipos de dispositivos semiconductores de potencia y técnicas de conversión. En la actualidad la revolución de la electrónica de potencia nos está dando la capacidad de formar y controlar grandes cantidades de energía con una eficiencia cada vez mayor. [14]

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Figura 1.2. Hechos significativos en la evolución de la Electrónica de Potencia.

Figura 1.3 Hechos significativos en la evolución de la Electrónica de Potencia.

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A continuación se presentara un pequeño estudio de cómo estaban conformado los siguientes dispositivos: el Ignitrón y el Tiratrón, que fueron los últimos dispositivos que se utilizaron en la electrónica de potencia en el control de la energía.

1.1-1 El Ignitrón

En 1932 se introduce el ignitrón, desarrollado por Slepian y Ludwing. Éste es un rectificador de mercurio líquido de tres electrodos. Su nombre fue derivado del método del encendido del arco.

El Ignitrón es una Válvula grande de cátodo frío que se usa para conmutar corrientes intensas. El ánodo es generalmente un bloque de carbono y el cátodo una bolsa de Mercurio. El electrodo activador o encendedor, es una varilla de Carborundo (carburo de silicio) especialmente conformada y parcialmente sumergida en el Mercurio. Cuando pasa por el encendedor (interruptor) una corriente muy intensa se produce una emisión electrónica en los puntos de contacto con el Mercurio que se evapora para formar un paso conductor entre los electrodos. Las versiones mayores de ignitrones tienen cubiertas compuestas de metal y vidrio con un sistema de enfriamiento por agua, similar al de los rectificadores de arco de Mercurio de los cuales se han derivado.

Este dispositivo puede soportar tensiones de hasta 20,000 V y corrientes de varios miles de amperios, siendo la caída de tensión en conducción de 15 a 20 V. Su estructura básica y característica de voltaje y corriente se muestran en la figura 1.4.

Figura 1.4. Ignitrón. a) Estructura. b) Símbolo. c) Característica de VAK-IA.

La conducción se provoca en el momento deseado aplicando un impulso de 20 a 50A y unos cientos de voltios entre la terminal de disparo llamado ignitor y el cátodo, eléctricamente conectado a la cubeta que contiene mercurio. El ánodo debe estar previamente polarizado a tensión positiva respecto al cátodo.

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El ignitor termina en una punta de material semiconductor refractario como Carburo de Boro o grafito. Penetra ligeramente en el mercurio y deforma la superficie produciendo una potente fuente emisora de electrones, al serle aplicado el impulso de disparo, una distribución de potenciales entre la punta y el líquido que alcanzan gradientes del orden de millones de voltios por centímetro. El mercurio próximo se ioniza inmediatamente y dispara la válvula en unos 10 s, siendo los electrones emitidos por el líquido encargados de soportar la conducción posible. Cuando la intensidad de ánodo se hace muy pequeña, la ionización no se puede mantener y el ignitrón se apaga o se bloquea.

Se trata de un componente muy robusto que puede manejar una gran potencia y soportar bien sobre-tensiones y sobre-corrientes. El disparo por ignitor es muy simple y fiable, aunque algunas veces suelen conectarse dos en paralelo para mayor seguridad. La tensión en conducción, es bastante elevada, es un inconveniente por que el rendimiento resultante no es muy bueno y el tamaño de la válvula debe ser grande por razones de disipación de temperatura.

Se construyen ignitrones de gran potencia con el tanque refrigerado por agua mediante un serpentín (conducto). Para evitar el deterioro del ánodo de grafito por calentamiento, se realiza con una gran superficie receptora y se apantalla de la radiación calorífica que recibirá del mercurio mediante un cono y un anillo directivos de grafito (figura 1.5). El camino que debe recorrer el plasma electrónico hacia el ánodo aumenta de esta forma y también lo hace ligeramente la caída de tensión en conducción.

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Figura 1.5. Ignitrón blindado. Sección axial.

Los ignitrones se emplean en instalaciones de rectificación de alta tensión e intensidades y en locomotoras eléctricas con motores de CD. Un ignitrón para locomotora puede tener un peso de 60 Kg. [1][6][15]

1.1-2 El Tiratrón

En 1929 se introduce el Tiratrón, desarrollado por A. Whull. Éste es un tubo de cátodo caliente que contiene gas inerte o vapor de mercurio a baja presión. La introducción del gas en un tubo electrónico tríodo altera radicalmente sus características de funcionamiento. El Tiratrón actúa como un diodo rectificador a gas con una rejilla de control. En la figura 1.6 se muestra el símbolo del tiratrón de cátodo caliente. Entre el ánodo A y el cátodo C se encuentra la rejilla de control o de mando G.

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Figura 1.6. Símbolo de tiratrón de cátodo caliente.

En un Tiratrón de cátodo caliente, la corriente que pasa por una carga se puede controlar variando la polarización de la rejilla de control. La rejilla de control requiere de una tensión negativa o bien, una tensión positiva para que comience a operar.

En la figura 1.7a se muestra un circuito de un Tiratrón conectado como rectificador de media onda. En esta figura se observa una fuente de alimentación variable (VC). Con dicha fuente, se puede variar la polarización de la rejilla de control y por lo tanto, se puede reducir el intervalo de tiempo durante el cual conduce el tiratrón (figura 1.7b). En esta figura, la forma de onda entre ánodo y cátodo muestra que, con el control de polarización ajustado a un valor, el tubo de cátodo caliente no conduce hasta que se alcanza la tensión V1. Cuando alcance dicha tensión, entonces se dispara y conduce durante el intervalo t. Durante el semiciclo negativo se bloquea el Tiratrón. La forma de onda del voltaje de carga y de la corriente de carga BA (figura 1.7b), indica que el comienzo de la conducción se ha retrasado hasta el instante correspondiente a B, esto se debe por la aplicación de una polarización negativa a la rejilla de control. Durante el intervalo CD (figura 1.7b) en que el tubo esta conduciendo, la corriente en la rejilla disminuye aproximadamente hasta cero.

(a) (b)

Figura 1.7. a) Tiratrón conectado como rectificador de media onda con el control de VC . b) Formas de onda.

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Los Tiratrones de cátodo caliente dieron lugar a una reducción considerable, ya que en los Tiristores se han encontrado una profunda aplicación como válvulas de conmutación en los dispositivos de relé y de conmutación.

Los inconvenientes de los Tiratrones se concretan en la vida útil, que es

relativamente pequeña, también a la gama de temperatura más limitada que la de los Tiristores, ya que ellos pueden operar en una gama de variación de la temperatura ambiente comprendida entre 15 y 40 0C. [1][6][15]

1.2 Definición de la Electrónica de Potencia

Durante mucho tiempo ha existido la necesidad de controlar la potencia eléctrica de los sistemas de tracción y de los controles industriales impulsados por motores eléctricos, así pues la electrónica de potencia ha revolucionado la idea del control para la conversión de potencia y para el control de los motores eléctricos.

La electrónica de potencia combina la energía, la electrónica y el control. El control se encarga del régimen permanente y de las características dinámicas de los sistemas de lazo cerrado. La energía tiene que ver con el equipo de potencia estática y rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica. La electrónica se encarga de los dispositivos y circuitos de estado sólido requeridos en el procesamiento de las señales para cumplir con los objetivos de control deseados.

La electrónica de potencia se puede definir como la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica. En la figura 1.8 se muestra la interrelación de la electrónica de potencia con la energía, la electrónica y el control.

Figura 1.8. Relación de la electrónica de potencia con la energía, la electrónica y el control

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La electrónica de potencia o electrónica de las corrientes fuertes es una técnica relativamente nueva que se ha desarrollado a partir de la Electrónica y de la Electrotecnia, gracias al avance tecnológico en la fabricación de los semiconductores de potencia. Ha alcanzado un lugar importante en la tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia, que son controles de calor, controles de iluminación, controles de motor, fuentes de alimentación, sistemas de propulsión de vehículos y sistemas de corriente directa de alto voltaje (HVDC). Con las tendencias actuales en el desarrollo de los dispositivos de potencia y los microprocesadores, las aplicaciones de la electrónica de potencia cada día más son indefinidas. [2] [15]

Algunas aplicaciones de la electrónica de potencia son:

Abre puertas eléctricosAcondicionamiento del aireAlarmasAlarmas contra roboAmplificadores de audioArrancadores para turbinas de gasAtenuadoresAtenuadores luminososCalderasCalefacción por inducciónCargador de BateríasCentelladores luminososCharolas para calentar alimentosComputadorasControles de calorControles lineales de motor de inducciónCorriente Directa de Alto Voltaje (HVDC)ElectrodomésticosElectroimanesElevadoresFuentes de alimentación para aeronavesFuentes de alimentación para laserGrabaciones magnéticasGrúas y tornosHerramientas eléctricasHerramientas manuales de potencia

MolinosSecadorasVehículos eléctricosVentiladoresFuente de alimentación para radar/sonarControles de hornosControles de motorFuentes de alimentaciónInterruptores estáticos(sistemas no-break)Bombas y compresoresFotocopiasControles de señales de tránsitoSistemas de seguridadRelevadores estáticosControles de temperaturaBalastras para lámparas de arco de mercurioFuentes de alimentación no interrumpiblesSoldaduraLavadorasJuguetesTrenesReguladores de voltajeFuentes de poder para aplicaciones espaciales [2] [15]

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Un equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente de:

a) Un circuito de potencia, compuesto de semiconductores de potencia y elementos pasivos (transformadores, bobinas y capacitores, etc.).

b) Un circuito de mando, que elabora la información proporcionada por el primero y genera unas señales de excitación que determinan la conducción de los semiconductores controlados (Tiristores) con una fase y una secuencia convenientes.

En la figura 1.9 se presenta un diagrama de bloques de un equipo electrónico de potencia. [3]

Figura 1.9. Diagrama de bloques de un equipo electrónico de potencia.

1.2-1 Sistemas y Técnicas de Control de Potencia

La electrónica de potencia se basa, en primer término, en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo de la tecnología de los semiconductores de potencia, las capacidades del manejo de la energía y la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia han mejorado tremendamente. El desarrollo de la tecnología de los microprocesadores y microcomputadoras tiene un gran impulso sobre el control y la síntesis de la estrategia de control para los dispositivos semiconductores de potencia. El equipo de electrónica de potencia moderna utiliza (1) semiconductores de potencia, que pueden compararse con el músculo, y (2) microelectrónica, que tiene el poder y la inteligencia del cerebro.

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Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden operar como interruptores mediante la aplicación de señales de control a la terminal de compuerta de los Tiristores. La salida requerida se obtiene mediante la variación del tiempo de conducción de estos dispositivos de conmutación. En la figura 1.10 se muestran los voltajes de salida y las características de control de los dispositivos de interrupción de potencia de uso común. Una vez que un Tiristor está en modo de conducción, la señal de la compuerta ya sea negativa o positiva no tiene efecto.

Cuando un dispositivo semiconductor de potencia está en modo de conducción normal, existe una pequeña caída de voltaje a través del mismo. En las formas de onda de voltaje de salida de la figura 1.10, estas caídas de voltaje se consideran despreciables. [2] [15]

Figura 1.10. Características de voltaje-corriente de los Dispositivos Semiconductores de Potencia.

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1.2-2 Topología de Circuitos Electrónicos de Potencia

Desde que se desarrolló el primer Tiristor de rectificador controlado de silicio (SCR), a fines de 1957, ha habido grandes adelantos en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta 1970, los Tiristores convencionales se habían utilizado en forma exclusiva para el control de la energía en aplicaciones industriales. A partir de 1970, se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial. Éstos se pueden dividir en cinco tipos principales:

1.- Diodos de potencia. 2.- Tiristores. 3.- Transistores bipolares de juntura de potencia (BJT).4.- MOSFET de potencia. 5.- Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y transistores de inducción estáticos (SIT).

Los Tiristores se pueden subdividir en trece tipos: Rectificador Controlado de Silicio (SCR). Tiristor desactivado por compuerta (GTO). Tiristor de Triodo Bidireccional (Triac). Tiristor Bidireccional de Silicio (Diac). Interruptor Unilateral de Silicio (SUS). Interruptor Bilateral de Silicio (SBS). Interruptor de Apagado por Compuerta (GTO). Interruptor Controlado de Silicio (SCS). Diodo de Cuatro Capas (Diodo Shockley). Interruptor Direccional de Silicio (SIDAC). Transistor Mono-unión (UJT). Transistor Mono-unión Programable (PUT). Rectificador Controlado de Silicio Activado por Luz (LASCR).

Los diodos de potencia son de tres tipos: de uso general, de alta velocidad (o de recuperación rápida) y Schottky. Los diodos de uso general están disponibles hasta 3000V, 3500A, y la especificación de los diodos de recuperación rápida puede llegar hasta 3000V, 1000A. El tiempo de recuperación inversa varía entre 0.1 y 5ms. Los diodos de recuperación rápida son esenciales para la interrupción de los convertidores de potencia de altas frecuencias. Un diodo tiene dos terminales: un ánodo y un cátodo. Los diodos Schottky tienen un bajo voltaje en estado activo y un tiempo de recuperación muy pequeño, típicamente en nano-segundos. La corriente de fuga aumenta con el voltaje y sus especificaciones se limitan a 100 V, 300 A. Un diodo conduce cuando el voltaje de ánodo es más alto que el cátodo; siendo la caída de voltaje directa de un diodo de potencia muy baja, típicamente 0.5 y 1.2 V.

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Si el voltaje de cátodo es más alto que el voltaje de ánodo, se dice que el diodo está en modo de bloqueo.

Existen varias configuraciones de diodos de uso general, mismos que se agrupan básicamente en dos tipos. Uno se conoce como de perno o montado en perno y el otro como de disco empacado a presión (figura 1.11).

Figura 1.11. Configuraciones de diodos de uso general.

Un Tiristor tiene tres terminales: un ánodo, un cátodo, y una compuerta. Cuando una pequeña corriente pasa a través de la terminal de la compuerta hacia el cátodo, el Tiristor conduce, siempre y cuando la terminal del ánodo esté a un potencial más alto que el cátodo. Una vez que el Tiristor está en un modo de conducción, el circuito de la compuerta no tiene ningún control y el Tiristor continúa conduciendo. Cuando un Tiristor está en un modo de conducción, la caída de potencial en directa es muy pequeña, típicamente 0.5 a 2 V. Un Tiristor que conduce, se puede desactivar haciendo que el potencial del ánodo sea igual o menor que el potencial del cátodo. Los Tiristores conmutados en línea se desactivan en razón de que el voltaje de entrada sea senoidal, y los Tiristores conmutados en forma forzada se desactivan, mediante un circuito adicional de conmutación.

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En la figura 1.12 se muestran varias configuraciones de Tiristores de control de fase (o de conmutación de línea): tipo perno, tipo plano, y tipo de aguja.

Figura 1.12. Configuraciones de Tiristores.

Los Tiristores conmutados en línea están disponibles con especificaciones de hasta 6000 V, 350 A. El tiempo de desactivación de los Tiristores de bloqueo inverso de alta velocidad ha mejorado en forma sustancial y es posible obtener de 10 a 20 s con un tiristor de 1200 V, 2000 A.

El tiempo de desactivación se define como el intervalo de tiempo entre el instante en que la corriente principal se reduce a cero después de la interrupción externa del circuito de voltaje principal, y el instante en que el Tiristor es capaz de aceptar un voltaje principal especificado, sin activarse. Los LASCR, se fabrican hasta 6000 V, 1500 A, con una velocidad de interrupción de 200 a 400 s, son adecuados para sistemas de energía de alto voltaje, especialmente en HVDC. Para aplicaciones de corriente alterna de baja potencia de los TRIAC, se utilizan ampliamente en todo tipo de controles sencillos de calor, de iluminación, de motor, así como interruptores de corriente alterna.

Las características del TRIAC son similares a dos Tiristores conectados en inverso paralelo con una sola terminal de compuerta. El flujo de corriente a través de un TRIAC se puede controlar en cualquier dirección.

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En la tabla 1.1, se presentan las especificaciones de Dispositivos Semiconductores de Potencia. [2] [15]

Tabla 1.1. Dispositivos de Potencia.

1.3 Ventajas y Desventajas de los Semiconductores

Las principales razones técnicas para la utilización de sistemas electrónicos y de potencia son a menudo la gran velocidad y la dinámica de regulación que se asocia a sus dispositivos. La soldadura sin proyección, el tren sobre colchón magnético, la fabricación por electroerosión y las máquinas herramientas son buenos ejemplos de ello.

Las principales razones económicas son la reducción del peso y el volumen (lo que compone, a menudo, un ahorro importante de hierro y de cobre) y el buen rendimiento de los equipos. La alimentación en modo conmutado en los televisores reduce el costo de producción. En los equipos informáticos, tienen la ventaja de una reducción en la disipación térmica en salas climatizadas. En los medios de transporte, la alimentación en modo conmutado permite obtener ganancias en peso y en volumen, lo que se traduce finalmente en la reducción del peso y del consumo de los vehículos. [15]

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A continuación se presentara algunas ventajas y desventajas de los semiconductores y de los dispositivos que fueron reemplazados por estos mismos.

Ventajas y Desventajas de los Semiconductores

VENTAJAS

Menor costo. Menor tamaño. Mayor rapidez de conmutación. Libres de mantenimiento (excepto limpieza exterior). Capacidad en manejo de altas corrientes. Operación silenciosa. No necesitan de sistemas de enfriamiento. Fuertes resistencias a los choques y aceleraciones. Ausencia de vibraciones (no hay arco eléctrico). Insensibilidad a las sobrecargas.

DESVENTAJAS

No provee aislamiento eléctrico (los relevadores sí). Requiere de cuidado en su conexión. Les puede afectar la alta temperatura. Fáciles de destruir si se sobrepasan sus especificaciones. Requieren voltajes regulables.

Ventajas y Desventajas de los Dispositivos Reemplazados

VENTAJAS

Proveen aislamiento eléctrico. Capacidad de manejar altas corrientes (también los Tiristores tienen capacidad

de manejar corrientes altas).

DESVENTAJAS

Costo elevado. Son voluminosos. Lentos en la conmutación o función. Ruidos al trabajar. Requieren de sistemas de enfriamiento. Requieren del efecto de rebote eléctrico.

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