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La electrónica de potencia, una tecnología estratégica El actual escenario global de la energía ha convertido a la electrónica de potencia en una tecnología estratégica, pues, aplicada al sistema de procesamiento de la energía, posibilitará asegurar la sostenibilidad de nuestro crecimiento.

Teoría de circuitos

Teoría de sistemas y control

Física de estado sólido

Comunicaciones industriales

Electroquímica

Control digital con microcontroladores y DSP

Electrónica de potencia

Procesamiento analógico y digital de la señal

Sistemas eléctricos de potencia Modelización y simulación

Electromagnetismo

Programación en ensamblador y C

Electrónica analógica y digital

Automatización

Máquinas eléctricas y convertidores estáticos

Transmisión del calor

Instrumentación de medida y sensores Compatibilidad electromagnética

■ La electrónica de potencia como una discicplina interdisciplinar.

l desarrollo tecnológico experimentado por la electrónica de potencia durante los últimos cuarenta años la ha consolidado en la actualidad como una herramienta indispensable para el funcionamiento de todos los ámbitos de nuestra sociedad, tanto el industrial como el de servicios y el doméstico. Esta posición se ha conseguido con la continua aportación, de forma callada y no reconocida por la sociedad, de los técnicos especializados en electrónica de potencia. Esta comunidad científica se ha visto obligada a pensar y trabajar en un entorno limitado, con un escenario pequeño, siempre oscurecido por el resplandor

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social que se ha brindado a las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, las famosas TIC que han impuesto el desarrollo social de los últimos años del siglo XX, llevándonos hacia este mundo más cerrado y uniforme que conocemos como “globalización”. La indeferencia mediática y política hacia la electrónica de potencia ha dificultado la incorporación de estos conocimientos a nivel de sistemas. Sus ingenieros han tenido que reducir su atención a los niveles de componentes y equipos. Estos niveles, en los que se han realizado muy importantes trabajos de investigación y desarrollo, se pueden considerar ple-

namente maduros y su evolución, estancada, pues no existen perspectivas de nuevos descubrimientos o aportaciones que posibiliten un salto tecnológico. Es en la integración con sistemas donde residen las mayores oportunidades tecnológicas y de crecimiento futuro de la electrónica de potencia. Integración en sistemas Estamos viviendo una era de trepidantes innovaciones tecnológicas. Nunca antes en la historia de la humanidad el ritmo de asimilación social de las nuevas aportaciones de la ciencia y la tecnología había sido tan acentuado como en la época que es-

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tamos viviendo, con los ordenadores personales, la telefonía móvil, la digitalización de la información y el automóvil. La electrónica de potencia se ha mantenido al margen de este fenómeno. Hasta el momento, no ha sido una tecnología que haya impuesto nuevos desarrollos. La demanda del mercado es la que estira de las tecnologías y la electrónica de potencia no ha sido una tecnología empujada por el mercado; es una tecnología posibilitadora, es decir, juega solamente un papel de soporte al desarrollo de las otras tecnologías. Si en el futuro se pretende algún papel protagonista en este sentido, es necesario entender cómo funcionan los sistemas tecnológicos y qué aportaciones puede realizar la electrónica de potencia. La demanda actual consiste en la integración de la electrónica de potencia en el sistema de procesado de la energía. Hay que dejar de hacer electrónica de potencia para pasar a hacer procesado de la potencia. Nuestra sociedad industrial ha pasado por diferentes etapas. El siglo XIX, durante el cual se produjo la revolución industrial impulsada por la máquina de vapor, fue un siglo claramente mecánico, todavía más con la irrupción del automóvil al final de la centuria. Estabamos en la era de la máquina. La introducción de las máquinas eléctricas junto con la distribución de la energía eléctrica inició la nueva era eléctrica, que caracterizó la primera mitad del siglo XX. Con la invención del transistor en el año 1948 se inició la llamada “primera revolución electrónica”, que nos introdujo en la era electrónica durante la cual asistimos a la aparición de los circuitos integrados, ordenadores, comunicaciones, informática, Internet y la automatización, que nos llevaron hacia la sociedad de la in-

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La electrónica de potencia y las energías alternativas a demanda de sistemas de generación de energía eléctrica basados en

L fuentes de energía alternativas y renovables ha sufrido un crecimiento espectacular en todo el mundo, a razón de, aproximadamente, un 25% anual. La concienciación de la humanidad en aspectos tan importantes como la contaminación atmosférica y sus efectos hacen prever que esta demanda seguirá incrementándose en el futuro. Además, la demanda global de electricidad en el mundo crece a muy alta velocidad y, aunque los países más desarrollados están haciendo especial énfasis en la eficiencia energética para no derrochar energía, el crecimiento de la demanda es mucho más elevado que los ahorros energéticos conseguidos. Por lo tanto, se deben fomentar dos líneas de investigación, a saber, aumentar más aún, si cabe, la eficiencia energética de todos los equipos consumidores, y por otro lado, investigar y aplicar la generación en base a fuentes de energía renovables y alternativas. Para que el crecimiento del mercado de las energías alternativas crezca más rápidamente se debe conseguir que el coste de producción de energía con estas fuentes sea inferior al mínimo coste de producción mediante combustibles fósiles. En lo que respecta a la energía eólica, esto ya es cierto hoy en día, pero en referencia a la energía solar térmica y a la solar fotovoltaica, y aunque los costes de producción de éstas han bajado enormemente durante los últimos años, todavía están por encima del coste de producción con combustibles fósiles. Pero si la tendencia futura del coste de producción evoluciona como lo ha hecho durante los últimos años, la energía solar térmica será plenamente competitiva en un par de años y la solar fotovoltaica, en menos de 10 años. La electrónica de potencia es clave en prácticamente todas las tecnologías de generación con energías alternativas. La red eléctrica opera a una frecuencia fija (50 Hz en Europa) y con unas tensiones que deberían ser sinusoidales y con el valor eficaz que corresponda (230 V en ambiente doméstico). La generación de energía eléctrica tradicional consiste en hacer girar el eje de una máquina eléctrica rotativa (generador) a velocidad fija para conseguir generar tensión a la frecuencia de la red. Las fuentes de energía alternativa generan corriente continua o bien corriente alterna de frecuencia variable y es en todos estos casos donde el uso de la electrónica de potencia se hace imperativo. La conversión de la energía eléctrica para conseguir los 50 Hz y la forma sinusoidal se debe realizar con convertidores estáticos de energía (electrónica de potencia) diseñados para operar correctamente y con la máxima eficiencia posible. formación que produjo el fenómeno de la llamada “globalización”. Mientras tanto, con la invención del tiristor en 1956 se produjo de forma silenciosa y lenta la llamada por algunos “segunda revolución electrónica”, que culmina con la madurez de la electrónica de potencia en los albores del siglo XXI. Es importante destacar que la electrónica de potencia esencialmente consiste en una mezcla de las tecnologías impulsoras de la era mecánica, de la era eléctrica y de la era electrónica.

Nos encontramos ante una nueva tecnología realmente interdisciplinar. Nuestros políticos consideran que para asegurar la sostenibilidad de la sociedad del bienestar durante el siglo XXI es necesario asegurar la ex-

Hay que dejar de hacer electrónica de potencia para pasar a hacer “procesado de la potencia”.

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Japón, con tan sólo el 2% de la población mundial, consume solamente el 5% de la energía total. En el país nipón, el precio de la energía es típicamente cuatro veces más cara que en Estados Unidos. El precio bajo de la energía induce a su despilfarro; se estima que el 30% de la energía consumida en Estados Unidos es directamente disipada en pérdidas por la negligencia de las instituciones y de los consumidores.

La capacidad de instalación de miles de MW (Megawatts) de generación mediante energías alternativas hará que se desarrollen de una forma espectacular los convertidores estáticos de energía eléctrica, en particular aumentando sus prestaciones y funcionalidades, y los componentes de la electrónica de potencia en general haciéndolos más rápidos y con menores pérdidas. Eólica Durante la última década, la generación a partir de la energía eólica se ha desarrollado de una manera impresionante, especialmente en el norte de Europa. Los aerogeneradores empezaron siendo de unos pocos kilowatts y hoy en día ya se están desarrollando máquinas que superan los 4 MW. Este desarrollo tan significativo, obviamente, se ha podido producir gracias a los convertidores estáticos de energía eléctrica. El futuro de la energía eólica pasa por tener unos convertidores estáticos de mayor potencia y de mayor densidad de potencia (más pequeños) y, además, se debe aumentar la robustez y la fiabilidad de los aerogeneradores y, en conjunto, de los parques de generación eólica. Se espera que se pueda llegar en pocos años a aerogeneradores de hasta 10 MW (orientados a parques eólicos situados en el mar) basados en generadores de imanes permanentes y con la ayuda de convertidores estáticos de energía de unos 3 o 4 kV de tensión, y todo ello sin aumentar el volumen del equipo. Una gran ayuda será la eliminación del tren de engranajes que hoy en día existe. Dicha eliminación se producirá gracias a la electrónica de potencia y cabe destacar el aumento de la eficiencia energética, ya que es bien conocido que los trenes de engranajes tienen un rendimiento que dista bastante de lo deseable. Por otra parte, la eliminación de los engranajes supondrá una disminución de peso importante, pudiendo repercutir en el diseño de la torre del aerogenerador. Fotovoltaica A pesar de que uno de los principales inconvenientes de esta tecnología es su elevado coste, en 2002 se vendieron cerca de 400 MW de módulos fotovoltaicos en todo el mundo. Nuevas tecnologías de fabricación y la apli☛ Sigue en la página siguiente celencia en el conocimiento y la gestión en tres vectores estratégicos: el agua, la movilidad y la energía. El agua para la vida, la movilidad y la energía para el bienestar. La electrónica de potencia, con su esencia interdisciplinar, está destinada a desempeñar un importante papel en la consecución de estos objetivos. La energía ha sido siempre necesaria para asegurar el continuo progreso de la humanidad. Desde el inicio de la revolución industrial, el consumo global de energía se ha ido incremen-

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tando para acelerar el nivel de bienestar de las sociedades desarrolladas. De hecho, el consumo de energía por cápita se ha tomado como indicador de la prosperidad económica de una comunidad. Este modelo ha llevado a situaciones de despilfarro energético propiciadas por el bajo precio de la energía. Por ejemplo, se podría considerar que Estados Unidos dispone del mejor nivel de vida mundial, pues con sólo el 5% de la población mundial consume el 25% de la energía total. En cambio,

Ahorro energético Desafortunadamente, la contaminación ambiental provocada por el incremento de energía consumida es uno de los temas que más preocupan actualmente por los cambios climáticos que provoca, como el calentamiento global, el efecto directo sobre la salud por la disminución de la capa de ozono, la contaminación urbana y la deforestación originada por la lluvia ácida. Este modelo de desarrollo basado en el despilfarro energético no es sostenible, en primer lugar por los daños irremediables que produce sobre el planeta y, en segundo lugar, porque la mayor parte de energía consumida es de origen fósil y las reservas llegarán a agotarse. La electrónica de potencia puede contribuir al ahorro energético mediante la optimización del consumo tanto en la industria como en los servicios y en las viviendas particulares. La regulación de la velocidad de los motores eléctricos es una de las aplicaciones más utilizadas de la electrónica de potencia, habiendo superado el estricto marco industrial y habiendo llegado actualmente a las neveras, equipos de aire acondicionado, lavadoras y ascensores. La elec-

Esencialmente, la electrónica de potencia consiste en una mezcla de las tecnologías impulsoras de las eras mecánica, eléctrica y electrónica. Nos encontramos ante una nueva tecnología realmente interdisciplinar.

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trónica de potencia es también la tecnología clave para poder poner en marcha todos los recursos de energías renovables, como son la eólica y la fotovoltaica, junto con los nuevos sistemas de almacenamiento de energía, como pueden ser las pilas de combustible, baterías, supercondensadores, volantes de inercia y bobinas superconductoras. En el campo de la movilidad, la electrónica de potencia es la tecnología base del coche eléctrico y está aportando grandes innovaciones a los transportes ferroviarios, que deberán experimentar un gran desarrollo futuro en detrimento del transporte privado que colapsa las ciudades y las carreteras. El tratamiento, depuración, bombeo, distribución y desalinización del agua también es una de las principales aplicaciones de la rama industrial de la electrónica de potencia. Finalmente, todas las anteriores aplicaciones –presentes y futuras– de la electrónica de potencia están enlazadas mediante la red de distribución y transporte de la energía eléctrica. En el control y máxima eficiencia de esta red también, la electrónica de potencia también empieza a jugar un papel protagonista. Procesar inteligentemente la energía Es evidente que existe una oportunidad para que la electrónica de potencia amplíe su protagonismo ocupándose del procesado inteligente y eficiente de la energía en cualquier tipo de aplicación. Los sistemas de potencia constituyen una de las aplicaciones que ofrecen mayores posibilidades. Otra de las aplicaciones interesantes se encuentra en los sistemas mecatrónicos. Durante el siglo XX se desarrollaron y aplicaron las tecnologías electromecánicas; durante el siglo XXI estas tecnologías serán sustituidas por la mecatrónica. Se empieza a considerar a la electrónica de potencia como la tecnología que permitirá el desarrollo sostenible durante el siglo XXI. ¿Se ha iniciado la nueva era de la electrónica de potencia? [1, 2, 3, 4] La electrónica de potencia es un

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Momento de la botadura en el puerto de Palamós del sistema de generación de energia eléctrica a partir de las olas del mar desarrollado por la empresa Arlas Invest, S.L. de Barcelona. La electrónica de potencia necesaria para la generación de la energía y su control han sido desarrollados por el CITCEA-UPC, centro de innovación tecnológica de la Universidad Politècnica de Catalunya.

cación de nuevos materiales semiconductores están produciendo una disminución de los costes con una eficiencia del mismo orden (14% al 20% en el mejor de los casos). Actualmente está despertando interés el estudio de la producción de paneles fotovoltaicos basados en materiales orgánicos. La tecnología es totalmente diferente a los paneles basados en semiconductores y, por tanto, aún se está en una fase inicial que requiere de mucho estudio y desarrollo. Sea cual sea la tecnología de los paneles fotovoltaicos, existe un elemento esencial llamado ondulador. Éste no deja de ser un convertidor estático de energía eléctrica en forma de corriente continua a energía eléctrica en forma de corriente alterna sinusoidal de 50 Hz. Los onduladores de pequeña potencia (1 a 5 kW) acostumbran a ser monofásicos y los de cierta potencia (> 25 kW), trifásicos. Una de las maneras de almacenar energía eléctrica asociada a los sistemas de generación fotovoltaica aislados de la red es mediante baterías. Las plantas fotovoltaicas que no están aisladas de la área de la ingeniería eléctrica altamente interdisciplinar, pues en ella se aplican conocimientos y tecnologías relacionadas con las siguientes disciplinas: teoría de circuitos, física de estado sólido, electromagnetismo, teoría de sistemas y control, comunicaciones industriales, control digital con microcontroladores y DSP,

Una de las aplicaciones que ofrece mayores posibilidades a la electrónica de potencia es la mecatrónica.

programación en ensamblador y C, electrónica analógica y digital, procesamiento analógico y digital de la señal, sistema eléctrico de potencia, máquinas eléctricas y convertidores estáticos, modelización y simulación, transmisión del calor y electroquímica. Todas estas materias forman la parte electrónica de la mecatrónica, hecho que reafirma todavía más el elevado protagonismo a la que está destinada la electrónica de potencia. Esta importancia de la electrónica de potencia se debe ver reflejada en los planes de estudios universitarios. Los departamentos

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red acostumbran a incorporar un sistema de baterías para almacenaje de energía eléctrica para tener cierta autonomía en caso de ausencia de red y esto implica que la electrónica de potencia que constituye el inversor debe, también, incorporar un convertidor estático para la carga y mantenimiento de las baterías, así como cierta inteligencia y poder de decisión para saber conmutar de la red a las baterías (en ausencia de red) y viceversa en cuanto la red esté presente y estable. Células de combustible Las células de combustible representan una de las tecnologías de generación más prometedoras y más eficientes (de hasta el 70%). Su desarrollo se ha realizado mayoritariamente gracias a la industria del automóvil. Actualmente, tanto los gobiernos como las industrias han iniciado proyectos de investigación ambiciosos para conseguir tecnologías de células de combustible viables económicamente hablando. Una de las grandes ventajas es su reversibilidad y gran capacidad de almacenaje de energía en forma de combustible, como por ejemplo el hidrógeno. Existen varias tecnologías de células de combustible, pero desde el punto de vista de la interconexión con la red eléctrica son muy similares a los paneles fotovoltaicos. La diferencia significativa que existe entre estos dos sistemas de generación radica en que las células de combustible tienen un comportamiento diferente durante los transitorios, es decir, su fiabilidad y su funcionamiento frente a cambios bruscos y grandes de carga es pobre. Principalmente por esta razón se piensa en las células de combustible como una generación de base que se debe complementar con los otros tipos de generación según la demanda existente en cada instante. El comportamiento transitorio de las células de combustible se puede mejorar con el almacenamiento de energía (mediante, por ejemplo, supercondensadores) y por descontado, la electrónica de potencia asociada. Una de las características de las células de combustible es que deben funcionar a cierta temperatura (desde 100 ºC hasta 1000ºC, dependiendo de la tecnología) y es por esta razón por la que se entiende que son un complemento ideal en centrales de cogeneración, pues se podría aprovechar el combustible sobrante de las células de combustible para alimentar una turbina de gas y aprovechar el calor sobrante de ésta para mantener la temperatura de las células de combustible. Todas estas consideraciones se deben realizar sin perder de vista que el papel realmente importante lo juegan los convertidores estáticos de energía eléctrica, y su complejidad, características y funcionalidad van aumentando conforme a su número y a la capacidad de interacción debida a su conectividad e inteligencia distribuida. de ingeniería eléctrica deben abandonar la excesiva especialización tradicional en temas exclusivos de su área, porque de lo contrario los nuevos ingenieros no podrán abordar las nuevas necesidades de los sistemas de potencia. En los nuevos planes de estudios deben aparecer titulaciones de ingeniería en energía y en mecatrónica. Ahorrar entre un 15% y un 20% de consumo eléctrico Donde se hace más patente la gran importancia actual de la electrónica de potencia es en el ahorro de ener-

gía de los equipos eléctricos mediante un uso más eficiente de la electricidad. Se estima que aproximadamente se puede ahorrar entre un 15% y un 20 % del consumo eléctrico mediante una aplicación extensiva de la electrónica de potencia. Aproximadamente del 60% al 65% de la electricidad generada es consumida por motores eléctricos y la mayoría de éstos accionan bombas y ventiladores. De nuevo, la eficiencia energética de la mayoría de estas bombas y ventiladores puede beneficiarse del control a velocidad variable. Tradicionalmente, la variación de flujo de los

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El funcionamiento de los motores y válvulas totalmente abiertas con velocidad variable puede ahorrar hasta el 30 % de energía en condiciones de carga ligera. fluidos impulsados por estos equipos se consigue mediante válvulas obturadoras, mientras que los motores de inducción siguen girando a su velocidad fija nominal. Se puede demostrar que el funcionamiento de los motores y válvulas totalmente abiertas con velocidad variable puede ahorrar hasta el 30% de energía en condiciones de carga ligera. El funcionamiento de los motores de inducción con poca carga, como es el caso de las escaleras automáticas, se puede optimizar haciéndole trabajar a flujo de excitación magnética reducido, con lo que se consiguen ahorros del 20%. Como el precio de la electrónica de potencia sigue disminuyendo, es posible instalar arrancadores de frecuencia variables en la alimentación de motores aunque sea en aplicaciones de velocidad constante, permitiendo programar el control del flujo de excitación del motor, con el consecuente ahorro energético. Otro ejemplo de aplicación son los accionamientos a velocidad variable en función de la carga de los sistemas de aire acondicionado y bombas de calor, que pueden ahorrar hasta el 30% de energía en comparación con los controles termostáticos convencionales. Es interesante destacar que, debido al elevado precio de la energía en el Japón, el 70% de los sistemas de aire acondicionado domésticos usan accionamiento a velocidad variable para ahorrar energía. Estas mismas tendencias se están produciendo en otros electrodomésticos, como neveras y lavadoras. Se estima que el 20% de la energía generada se consume en la iluminación. Es de sobras conocido que las lámparas fluorescentes tienen un rendimiento energético tres veces más elevado que las de incandescencia. La utilización de reactancias de electrónica

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de potencia de elevadas frecuencias puede mejorar este rendimiento todavía en un 20% adicional. La comercialización a gran escala de las nuevas fuentes de luz de altísimo rendimiento como son los LED de luz blanca necesitará la incorporación de la electrónica de potencia.

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Semiconductores de potencia El actual progreso de la electrónica de potencia ha sido posible principalmente gracias a los avances en los dispositivos semiconductores de potencia junto con las nuevas propuestas de topologías de convertidores, técnicas de modulación PWM, modelos analíticos, métodos de simulación, algoritmos de control y estimación, microcontroladores y DSP, circuitos integrados ASIC, etc. Aunque históricamente la electrónica de potencia empezó en el año 1901 con la disponibilidad de la válvula rectificadora de arco de mercurio, no fue hasta la aparición del tiristor en los años 50 cuando empezó la era moderna de la electrónica de potencia de estado sólido. Gradualmente fueron apareciendo otros componentes semiconductores de potencia que se beneficiaron de los avances de la microelectrónica. Esta evolución de los componentes, unida a la evolución de los convertidores estáticos y del control, ha sido muy espectacular en la última década del siglo XX, llevando a la electrónica de potencia a su actual estado de madurez, que la convierte en una tecnología estratégica para el futuro de la humanidad. El tiristor, que fue el componente que dominó la primera generación de la electrónica de potencia, actualmente sigue siendo indispensable en las aplicaciones de gran potencia y baja frecuencia, como son los rectificadores de la corriente de la red alterna, interruptores estáticos, compensadores estáticos de energía reactiva por control de fase, onduladores autoconmutados para motores síncronos de muy elevadas potencias, baños galvánicos, procesos electrolíticos y sistemas de transmisión de energía eléctrica en alta tensión continua HVDC. Para aplicaciones de alta potencia y tensión se dispo-

La aparición de los transistores MOSFET, en la década de los ochenta, supuso realmente el inicio de la moderna electrónica de potencia. ne actualmente de tiristores activados por la luz LTT de 8kV y 3,5 kA con caídas directas de tensión de 2,7 a 3,5 kA. Como las órdenes de disparo se envían en forma de luz por fibra óptica, se dispone de suficiente aislamiento como para utilizarlo en aplicaciones de 250 kV. Durante muchos años fueron muy populares los circuitos de conmutación forzada de los tiristores, que dejaron de usarse con la aparición del tiristor GTO (Tiristor conmutado por la puerta), el primer interruptor de potencia que se podía controlar tanto al cerrar como al abrir. En la actualidad se fabrican solamente GTO para aplicaciones de muy alta tensión y potencia, 6 kV, 6 kA, y están en desarrollo GTO de 9 kV y 12 kV. La necesidad de complejos circuitos de puerta y de ayuda a la conmutación (snubbers) y las bajas frecuencias a las que puede conmutar –del orden de 500 Hz– hacen que el GTO quede relegado a aplicaciones de muy alta tensión, como pueden ser la tracción y los sistemas eléctricos de potencia. La disponibilidad de los modernos IGBT de alta tensión hace que el GTO haya perdido alguno de

sus campos de aplicación tanto en tracción como en grandes convertidores de frecuencia industriales y también en la red eléctrica de alta tensión. La aparición del MOSFET La aparición de los transistores MOSFET, en la década de los ochenta, supuso realmente el inicio de la moderna electrónica de potencia. Fue el primer interruptor estático de síntesis, pues se fabricó como si fuera un circuito integrado de microelectrónica pero con todos los pequeños interruptores puestos en paralelo para realizar la función de interruptor de potencia. Su control por tensión y sus elevadas frecuencias de conmutación sin necesidad de snubbers le dejaron sin competencia en el rango de aplicaciones de baja tensión hasta unos 300 V. Se fabrican MOSFET de alta tensión pero de muy baja corriente, pues las caídas de tensión en conducción son muy elevadas. Las últimas mejoras introducidas en su estructura (trench-gate), que han disminuido todavía más la caída en conducción, hace que no pueda tener ningún competidor en el futuro en aplicaciones de alta frecuencia (de kHz a MHz) y bajas tensiones, sobre todo en el sector del automóvil. El MOSFET tiene la ventaja añadida de poder conectarse en paralelo sin ningún problema; si la aplicación necesita más corriente, se conectan más MOSFET en paralelo.

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El IGBT y la popularización de los convertidores de frecuencia Al mismo tiempo que aparecía el transistor MOSFET se disponía de los transistores bipolares Darlington, con valores de 1.200 V y 300 A, con los que se construyeron los primeros convertidores de frecuencia industriales. Sus tiempos de conmutación eran lentos, con lo que no se podían superar frecuencias de conmutación de 1 kHz, era necesaria la ayuda de snubbers en la conmutación y su área de trabajo segura era limitada. Muy recientemente, y bruscamente, este dispositivo ha sido totalmente eliminado de las aplicaciones de la electrónica de potencia por culpa de la aparición del IGBT. El transistor IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) fue el segundo interruptor de síntesis fabricado con las mismas instalaciones en las que se fabrican los componentes microelectrónicos y en él se integraron las mejores propiedades de los interruptores de potencia disponibles. El control de puerta MOSFET por tensión y alta frecuencia y el interruptor de potencia bipolar de alta tensión y baja caída en conducción. Nos atrevemos a decir que la disponibilidad de este maravilloso interruptor estático impulsó el gran avance y desarrollo de la electrónica de potencia en la última década del siglo pasado. En la actualidad, es el interruptor que ha permitido la gran popularización de los convertidores de frecuencia debido a su bajo coste, excelentes prestaciones y elevada fiabilidad. En sus gamas de tensiones y corrientes medias (1.200-1.700 V, 300-600 A) es muy ampliamente utilizado y se puede llegar a usar en las aplicaciones que lo requieran por encima de los 20 y 40 kHz. La cuarta generación actual de IGBT, también con la tecnología trench-gate, ha mejorado alguna de sus imperfecciones, como era una excesiva caída de tensión en conducción, y ha permitido elevar su frecuencia de conmutación. En este campo de aplicaciones de tensiones y corrientes medias tampoco se espera ningún nuevo competidor con el transistor IGBT. Por el contrario,

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los nuevos dispositivos disponibles de hasta 6.500 V y 600 A hacen que esté desplazando a otros dispositivos de elevada potencia de aplicaciones como la tracción eléctrica, convertidores de frecuencia de alta tensión y el procesado de la energía eléctrica en las redes de alta tensión. Para las aplicaciones de muy elevada tensión y corriente se dispone de dispositivos muy especializados, con nombres que dependen de sus fabricantes y que son conocidos como MCT (tiristores controlados por MOSFET) o IGCT (tiristores controlados por puerta aislada). Se fabrican hasta tensiones de 6.500 V y corrientes de 3.000 A y hasta el momento no tienen competidores en las muy altas potencias, aunque sus desventajas respecto a los IGBT harán que se diseñen convertidores modulares con IGBT que puedan asumir estas aplicaciones de alta potencia, ya casi todas relacionadas con la interacción con las redes de alta tensión del sistema eléctrico de potencia. Carburo de silicio en lugar de silicio Para finalizar, es necesario indicar que aunque el silicio ha sido la materia prima para la fabricación de los

La disponibilidad de este maravilloso interruptor estático –el IGBT– impulsó el gran avance y desarrollo de la electrónica de potencia en la última década del siglo pasado.

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semiconductores de potencia durante muchos años, en estos momentos ya se están realizando las primeras aplicaciones con componentes basados en el carburo de silicio SiC. Este nuevo material permitirá fabricar componentes de más alta tensión, con temperaturas de trabajo más elevadas, frecuencias de conmutación más altas y menores caídas de tensión en conducción. En estos momentos se comercializan diodos SiC Schottky de hasta 400 V y se prevé llegar hasta 1.000 V. También se están investigando estructuras MOSFET en SiC que permitirían llegar hasta 10.000 V. Es posible que en un futuro no muy lejano, la mayor parte de los dispositivos de potencia de silicio desaparezcan del mercado [5, 6]. Convertidores estáticos Los convertidores estáticos están compuestos por un conjunto de interruptores estáticos que, controlados de forma adecuada, permiten modificar la forma de disponibilidad de la energía eléctrica y adaptarla a las necesidades de una aplicación. La aparición de nuevas estructuras y funcionalidades de los convertidores estáticos ha ido ligada, como es natural, a la evolución de los interruptores disponibles. La estructura más clásica y extendida es el puente rectificador monofásico o trifásico en sus versiones con diodos o con tiristores, que permiten la regulación por ángulo de fase. Estos convertidores se comportan como cargas no lineales, generando corrientes armónicas y energía reactiva. La gran proliferación de estos convertidores,

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que forman parte de la entrada de la fuente de alimentación de todos los equipos electrónicos, ha hecho que se promulguen unas normativas limitadoras de las perturbaciones que generan en la red de suministro eléctrico. Para superar esta problemática se han propuesto varias nuevas estructuras para la función de rectificación de entrada en los equipos electrónicos. Para la baja potencia se utiliza un convertidor elevador formado por un MOSFET, un diodo y una inductancia. El condensador del bus de corriente continua se carga a una tensión superior al valor máximo de la tensión de red consumiendo una corriente senoidal en fase con la tensión de red. Esta etapa de entrada a las fuentes de alimentación de baja potencia es conocida como controlador del factor de potencia (PFC) y no es reversible. Para mayores potencias se utiliza la misma estructura que un convertidor de frecuencia y aprovechando que es reversible se permuta la entrada por la salida. De esta forma, el condensador se carga a una tensión más elevada que el máximo de la tensión de red y de ésta se consumen corrientes senoidales en fase con la tensión. Al mismo tiempo esta estructura permite la recuperación de energía hacia la red durante un frenado de un motor y otras funciones como las de filtrado activo de armónicos. En el capítulo de convertidores de

Mención especial merecen la nueva teoría de modulación senoidal de la energía eléctrica, conocida como “modulación vectorial espacial” (SVMPWM), y la teoría de control vectorial propuesta inicialmente para el control de las máquinas eléctricas pero aplicada actualmente y con mucho éxito a las interacciones con las redes eléctricas.

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Semiconductores de potencia

Empresa

Ratios (VDRN, ITOQM,VCE, IC)

Interruptores de potencia Sxxx (MVA)

Tipo

GTO

Mitsubishi

6000V, 6000A asym 4500V, 1000-4000A asym 4500V, 600-4000A asym 6000V, 3000A asym 3300V, 400-1200A 6500V, 200-600A 3300V, 400-1200A 4500V, 400-900A 3300V, 400-1200A 3300V, 400-1200A 4500V, 1200-2100A 3300V, 1200A 4500V, 600-3000A 6500V, 600A 4500V, 3800-4000A asym 4500V, 340-2200A r.c. 5500V. 280-1800A r.c. 6000V, 3000A asym 4500V, 4000A asym 6000V, 3500-6000A asym 6500V, 400-1500A asym

36 18 18 18 3,96 3,90 3,96 4,05 3,96 3,96 9,45 3,96 13,50 3,90 18,00 9,90 9,90 18,00 18 36 9,75

Press-Pack Press-Pack Press-Pack Press-Pack Module Module Module Module Module Press-Pack Module Module Press-Pack Module Press-Pack Press-Pack Press-Pack Press-Pack Press-Pack Press-Pack Press-Pack

ABB IGBT

Eupec Mitsubishi Hitachi Toshiba ABB

IGCT

ABB

Mitsubishi

■ Semiconductores de potencia de alta tensión.

frecuencia que también pueden ser usados como rectificadores activos de entrada se ha propuesto para tensiones elevadas la estructura conocida como puente trifásico de tres niveles con el neutro conectado al punto medio de los condensadores del bus de continua. La ventaja de esta estructura reside en que los interruptores soportan solamente la mitad de la tensión de bus, con lo que se pueden realizar convertidores de elevada tensión con IGBT. Por este motivo, esta estructura con IGBT ha desbancado a los convertidores de elevada potencia de dos niveles realizados con GTO con la aplicación de convertidores de frecuencia de tres niveles hasta potencias de 10 MVA en aplicaciones de acondicionadores activos de las líneas de potencia (APLC) y en el control de grandes motores síncronos. Como la tensión de los IGBT ha ido subiendo, estas estructuras de tres niveles están a su vez siendo sustituidas por estructuras de dos niveles con IGBT de alta tensión por motivo de su menor coste. Algunas aplicaciones de esta última tendencia las encontraríamos en convertidores de tracción ferroviaria.

El convertidor matricial Otra de las nuevas estructuras en las que se están dedicando esfuerzos de investigación es la que se conoce como convertidor matricial. Se trata de unir la entrada del convertidor con la salida directamente sin el paso por un circuito intermedio de tensión continua. Para realizar la función de convertidor de frecuencia se convierte directamente la energía alterna de una frecuencia y tensión en otra energía alterna con frecuencia y tensión distintas. Para realizar esta conversión son necesarios nueve interruptores estáticos bidireccionales, para lo que se deben utilizar 18 interruptores controlables y 18 diodos. En la actualidad, un fabricante de semiconductores de potencia está ofreciendo un módulo que integra todos los interruptores necesarios para construir un convertidor matricial de baja potencia y existe ya la oferta comercial de un convertidor de frecuencia matricial. De todas maneras, el futuro de esta estructura es incierto, pues, aunque ofrece algunas ventajas –como ser directamente bidireccional en energía y disponer de la capacidad de controlar los armónicos y el factor de potencia–, la au-

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sencia del almacenamiento intermedio en corriente continua la hace muy sensible a los huecos de tensión de la red eléctrica. Fuentes de alimentación conmutadas: nuevas estructuras Finalmente, y en el campo de las fuentes de alimentación conmutadas, se están imponiendo como estándares en las alimentaciones de los ordenadores las nuevas estructuras de convertidores continua/continua multifase intercalados. Su funcionamiento consiste en poner en paralelo varios interruptores pero con sus controles desfasados, de forma que actúan uno a continuación de otro. De esta forma, la corriente se reparte entre los interruptores, con lo que pueden ser más pequeños, y la frecuencia soportada por los elementos pasivos de filtrado es equivalente a la de conmutación de los interruptores multiplicada por el número de fases intercaladas. De este modo, la talla de todos los elementos se reduce y pueden llegar a construirse convertidores de potencias medias con volúmenes muy pequeños y con todos los componentes de montaje superficial, disminuyendo muchísimo el coste de producción para elevadas series. Además,

ELECTRÓNICA DE POTENCIA

como la corriente por cada interruptor es más pequeña y su frecuencia de conmutación es un submúltiplo de la resultante de todas las fases, el rendimiento de estas estructuras es óptimo. Si el número de fases es elevado, la potencia es procesada de forma distribuida en el tiempo y en el espacio, con lo que en lugar de tratarse de un convertidor de conmutación abrupta, su comportamiento se asemeja más al de una fuente lineal, el procesado de la potencia es más homogéneo y se realiza de forma casi continua. [7] Conclusiones En nuestra opinión, tres hitos han contribuido a establecer la madurez actual de la electrónica de potencia. La disponibilidad del IGBT permitió disponer de convertidores con elevadas capacidades de procesamiento de la potencia, muy fiables y competitivos en costes. La amplia oferta de microcontroladores y DSP de elevadas capacidades de tratamiento de señal y cálculo, diseñados para aplicaciones de control industrial, incluyendo todos los periféricos necesarios para el control directo de convertidores de frecuencia y de motores, ha permitido a los técnicos capacidades nunca antes alcanzadas para dominar el procesamiento de la

Bibliografía • [1] Bose, Bimal K.: Energy, Environment, and Advances in Power Electronic. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 15, nº 4. julio 2000, págs. 688-701. • [2] Blaabjerg, Frede, y otros: The Future of Electronic Power Processing and Conversion. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, nº 1, enero 2005, págs. 3-8. • [3] Sudrià, Antoni, y otros: La Mecatrònica, un nuevo paradigma. Automática e Instrumentación, nº 355, octubre 2004, págs. 43-46. • [4] Sudrià, Antoni: Hablemos de la Mecatrònica. Automática e Instrumentación, nº 331, julio 2002, págs. 47-51. • [5] Akagi, Hirofumi: The State-of-the-Art of Power Electronics in Japan. IEEE Transactions on Power Electronics, vol 13, nº 2, marzo 1998, págs. 345-356. • [6] Baliga, B. Jayant: The Future of Power Semiconductor DeviceTtechnology. Proceedings of the IEEE, vol. 89, nº 6, junio 2001, págs. 822-832. • [7] Cobos, J. A., y otros: Supplying energy to mobile and autonomus electronics. 2004 CPES Power Electronics Seminar.

Automática e Instrumentación

En la actualidad, un fabricante de semiconductores de potencia está ofreciendo un módulo que integra todos los interruptores necesarios para construir un convertidor matricial de baja potencia.

energía. Estas dos grandes capacidades tecnológicas de actuación y control sobre la energía han permitido aplicar con total eficacia las aportaciones teóricas científicas que se han ido produciendo. Queremos destacar la nueva teoría de modulación senoidal de la energía eléctrica, conocida como “modulación vectorial espacial” (SVMPWM), y la teoría de control vectorial propuesta inicialmente para el control de las máquinas eléctricas pero aplicada actualmente y con mucho éxito a las interacciones con las redes eléctricas. Al mismo tiempo, la gran capacidad de los DSP ha permitido introducir todas las nuevas teorías de control, como la lógica difusa, el modo deslizante, las redes neuronales y los algoritmos genéticos, lo que ha posibilitado importantes avances en el procesado de la potencia, como son los sistemas de control de máquinas eléctricas sin sensores. Este gran avance de la electrónica de potencia se seguirá produciendo a un ritmo todavía más acentuado, pues ahora ya no dependerá del empuje del mercado y de las oportunidades que otras tecnologías le brinden. La electrónica de potencia se ha convertido en una tecnología clave, en una tecnología habilitadora. Es la tecnología base para el desarrollo de nuevas necesidades. La electrónica de potencia se convierte en la impulsora del mercado del procesamiento de la potencia.

Antoni Sudrià Samuel Galceran Daniel Montesinos www.citcea.upc.edu

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