HERRAMIENTA INTERACTIVA PARA LA ENSEÑANZA DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA Pablo Zumel, Cristina Fernández, Antonio Lázaro, Andrés Barrado, Emilio Olías, Jorge Pleite Departamento de Tecnología Electrónica, Universidad Carlos III de Madrid [email protected] Resumen La electrónica de potencia es una disciplina cada vez más presente en muchos planes de estudio. Su gran desarrollo e interés industrial hacen necesaria la aparición de una enseñanza sistemática, adaptable a alumnos de grado y a formación de titulados. La experiencia de innovación docente presentada se basa en el empleo de una herramienta interactiva multimedia para autoaprendizaje y como complemento y apoyo a las clases desarrolladas en el aula. Se pretende por un lado ayudar a la explicación en el aula y por otro estimular el autoaprendizaje por parte de los alumnos y proporcionar una herramienta para profundizar en los contenidos de la asignatura o repasar los temas básicos. INTRODUCCIÓN La electrónica de potencia, entendida como la gestión inteligente de la energía eléctrica a través de medios electrónicos, es una tecnología muy presente tanto en el mundo industrial como en nuestro entorno cotidiano. Las aplicaciones de esta tecnología (figura 1) se extienden desde la alimentación de implantes en el cuerpo humano (marcapasos, implante cocleares, etc), hasta la gestión de energía en satélites, cocinas de inducción, control de vehículos eléctricos, trenes de alta velocidad, teléfonos móviles (los conocidos cargadores), energías renovables (solar y fotovoltaica), etc.

Figura 1. Algunas de las aplicaciones de la electrónica de potencia

Por otro lado, la importancia en el futuro de la electrónica de potencia está más que asegurada: los microprocesadores de nueva generación necesitan fuentes de alimentación más exigentes y sofisticadas, la proliferación de los equipos móviles (teléfonos, PDAs,...) y el desarrollo de la domótica y la inteligencia ambiental precisan de una gestión inteligente de la energía, el desarrollo de vehículos eléctricos alimentados a partir de células de combustible necesita la adecuación de los sistemas de conversión de energía eléctrica a las nuevas especificaciones y a las nuevas fuentes de energía, etc. Por lo tanto es fundamental que el alumno que va a desarrollar su carrera profesional en el entorno de la tecnología electrónica o en el entorno industrial en general conozca las bases de la electrónica de potencia, ya sea a nivel de usuario o a nivel de diseñador. Por otro lado, también se experimenta un aumento de la demanda de formación en electrónica de potencia para profesionales. Clases en el aula Enseñanza a distancia e-learning

Teoría

Electrónica de Potencia

0000000

Práctica

Simulación

Laboratorio

Figura 2 Programas educativos en electrónica de potencia

En la docencia impartida por el Departamento de Tecnología Electrónica de la Universidad Carlos III de Madrid, existen 4 asignaturas sobre electrónica de potencia, a las que se puede aplicar directamente la herramienta propuesta. Si bien tienen temarios ligeramente diferentes y figuran en titulaciones distintas, comparte una estructura básica común de su programa. Así, se pueden distinguir cuatro grandes temas: componentes, circuitos de conversión, control y modelado, y aspectos térmicos y protecciones. Incluye una parte de enseñanza teórica desarrollada en el aula y una parte práctica desarrollada en el laboratorio en la que realizan el montaje de circuitos explicados en clase. En la figura 2 se puede observar un esquema según el que se articula frecuentemente el programa de enseñanza de una asignatura de electrónica de potencia, con partes teórica y práctica. En [1] se encuentra un buen resumen de la aplicación de diversas estrategias de enseñaza de la electrónica de potencia.

OBJETIVOS, MOTIVACIÓN Y FILOSOFÍA El propósito inicial de este proyecto fue el desarrollo de una herramienta interactiva accesible a todos los alumnos para ser utilizada en clase y fuera de ella, que reuniera tres características fundamentales: •

Actitud activa del alumno.

•

Apoyo al alumno fuera de la clase, en su casa o en la escuela.

• Apoyo al profesor para la explicación en clase.Con ello se pretendían cubrir ciertos objetivos, agrupados fundamentalmente en tres aspectos: •

Motivación del alumno: o Despertar el interés del alumno por la asignatura. o Orientación profesional, utilizando herramienta conocidas en el entorno extra-académico.

•

Efectividad en la transmisión del conocimiento o El mensaje debe llegar en buenas condiciones, siendo de fácil comprensión. o El alumno puede avanzar a su ritmo después de la clase.

•

Economía de medios o Medios accesibles a todos los alumnos. Optimización de los medios disponibles, es decir, no se pretende reducir los recursos dedicado a los alumnos, sino aumentar el rendimiento que se puede obtener.

Un aspecto fundamental y un concepto de partida es la idea de complementar al profesor, pero no sustituirlo. En este sentido, se pretende evitar que la aplicación sirva únicamente como herramienta de autoaprendizaje y que el profesor se vea reemplazado por la pantalla del ordenador. Todo lo contrario. La herramienta interactiva se debe utilizar primero por el profesor en el aula para realizar su explicación, y a continuación la deben utilizar los alumnos. Los laboratorios tradicionales de electrónica de potencia son costosos y caros de mantener. Por un lado los alumnos prefieren otras materias más “atractivas”, y por otro los profesionales necesitan cada vez más conocimientos de este campo. Todo esto sugiere la búsqueda de nuevos métodos de enseñanza, motivando al alumno de grado y siendo útil al profesional graduado [2]. Los estudiantes actuales tienen Internet a su alcance, tanto por familiaridad como por economía. La flexibilidad que proporciona este medio y la aceptación entre los estudiantes hacen de él un soporte muy adecuado a nuevas técnicas de enseñanza, accesibles incluso a alumnos en formación continua [3,4]. Por tanto la idea de una herramienta interactiva apoyada en Internet parece una atractiva alternativa para la enseñanza de la electrónica de potencia.

DESCRIPCIÓN DE LA HERRAMIENTA Seminario Interactivo iPES La herramienta interactiva presentada es una adaptación del Seminario Interactivo de Electrónica de Potencia (Interactive Power Electronics Seminar, Seminario Interactivo de Electrónica de Potencia, iPES). El proyecto iPES [5] es original de los profesores Uwe Drofenik y Johan Kolar, del Instituto de Tecnología de Zurich (ETH Zurich). Es un proyecto puramente filantrópico y sin ánimo de lucro, que ha podido salir adelante gracias a la iniciativa de estos dos profesores y a su habilidad para implicar a profesores de todo el mundo, que colaboran con el proyecto traduciendo, difundiendo y empleando el material en sus propias clases. El proyecto de enseñanza iPES [1,3,6,7] está enmarcado dentro de la categoría de material didáctico accesible a través de Internet, aunque también puede conseguirse en unos discos compactos distribuidos gratuitamente. Se trata de una herramienta cuya finalidad es facilitar la enseñanza de la electrónica de potencia, pero cuyos principios pueden ser extensibles a otras disciplinas. De hecho ya se está desarrollando un nuevo seminario para la enseñanza de electrónica básica. Con este seminario se consigue una mayor comprensión de la asignatura, una docencia más eficiente y se motiva a los estudiantes a interesarse más en su educación. Se han desarrollado unos gráficos interactivos utilizando sencillos applets de Java, para que no se necesite un ordenador con unas grandes prestaciones o la conexión a través de la cual se descarguen no sea muy rápida.

Texto explicativo e instrucciones

Área gráfica interactiva

Figura 3. Aspecto general de un applet de iPES.

Aborda diversos temas relacionados con la electrónica de potencia, agrupados cuatro secciones: •

Circuitos básicos en electrónica de potencia: abarca los conceptos básicos en el procesado electrónico de energía eléctrica, describiendo

las topologías básicas de los circuitos más utilizados. Esta sección abarca con creces los circuitos descritos en las asignaturas de electrónica de potencia habituales. •

Circuitos avanzados en electrónica de potencia: describe sistemas más completos, especialmente los utilizados en redes trifásicas.

•

Magnetismo en electrónica de potencia: describe los fenómenos electromagnéticos básicos utilizados en bobinas, transformadores e incluso máquinas eléctricas rotativas. Esta sección aporta una visión física y extremadamente útil de ciertos aspectos de la electrónica de potencia que son frecuentemente difíciles de comprender para los alumnos.

•

Aspectos térmicos en electrónica de potencia: describe los conceptos básicos de termotecnia a tener en cuenta en el diseño de circuitos electrónicos de potencia.

En la figura 3 se muestra una página típica de iPES, en este caso acerca de un convertidor reductor. Tras una breve explicación textual, el alumno puede jugar libremente con el circuito en cuestión, variando los parámetros más importantes del mismo, y observando la evolución en el tiempo de las magnitudes físicas del problema, como tensiones, corriente, flujos magnéticos, temperatura, configuraciones de los circuitos, etc. En total utiliza 60 applets. Cada una de ellas explica un concepto determinado o un circuito.

Figura 4 Ejemplo del cálculo de la distribución de temperatura en un circuito.

En la figura 4 se puede apreciar el applet que calcula la distribución térmica en los componentes de un circuito, en este caso de un convertidor elevador. El alumno puede variar ciertos parámetros del circuito (arriba a la derecha), las formas de onda (abajo a la derecha) y como resultado obtiene el campo de temperaturas (arriba a la izquierda) de forma instantánea. Este sistema está diseñado no como un curso independiente del desarrollo de las asignaturas en el aula, sino como una herramienta complementaria para que el alumno comprenda mejor los contenidos explicados en clase, o para que profundice sobre la base de lo tratado en el aula.

Contenidos de iPES Circuitos básicos

Convertidores avanzados

Electromagnetismo aplicado a EP

Aspectos térmicos de la EP

Contenidos de Electrónica Industrial Figura 5 Contenidos del seminario interactivo iPES, en comparación son los de la asignatura

Adaptación de iPES La labor llevada a cabo en la Universidad Carlos III de Madrid ha sido fundamentalmente la de adaptar el seminario a las necesidades de las asignaturas impartidas. Se ha realizado una adaptación a dos niveles: a nivel de contenidos (figura 5) y a nivel de formato. Página de presentación

Unidades didácticas y Temas

Página inicial

Páginas de enlace

Tema 1

Tema 2

...

Tema 21

Applet Applet Páginas interactivas

Applet Applet

Applet Applet

Applet Applet

Applet Applet

Figura 6. Estructura de las páginas web que conforman la herramienta interactiva

Así, la parte de circuitos básicos es la que más ha podido ser aplicada a las asignaturas. Los temas relacionados con componentes magnéticos y aspectos térmicos también han sido aprovechadas, aunque en menor medida. Los conceptos ilustrados en la sección de convertidores avanzados quedan fuera del ámbito de las asignaturas de grado. A nivel de formato se han traducido los textos, y se ha confeccionado una serie de páginas web para estructurar los contenidos de acuerdo al programa de las asignaturas, agrupándolas en unidades didácticas y en temas. Se ha optado por presentar a los alumnos los applets siguiendo la estructura del programa de la asignatura, desde el plano general al particular, para que tengan una idea más global de la misma. El esquema general de las páginas diseñadas se muestra en la figura 6. Tras una primera página de presentación, se accede a la página donde se agrupan los temas por unidades didácticas. Desde ahí, se enlaza con las páginas de cada tema que a su vez enlazan con las applets correspondientes.

Figura 7. Página principal con las unidades didácticas y los temas del programa de la asignatura.

Figura 8. Página de un tema. En la izquierda aparecen los enlaces a los applets correspondientes.

En la figura 7 aparece la página principal, que contiene el programa de la asignatura. De esta manera el alumno conserva una visión del conjunto de la misma. En el título de cada tema se encuentra un enlace a la página correspondiente. En la figura 8 se muestra un ejemplo de página de un tema en particular. En la parte derecha aparecen los contenidos detallados. En la parte izquierda aparecen los applets relacionados con dicho tema. No todos los contenidos de un tema tienen applet que lo ilustre, sino los más significativos.

Ejemplo: contenido armónico de una onda periódica La descomposición en armónicos de una onda periódica es un concepto básico para muchas materias, y también para la electrónica de potencia. Es muy conveniente ilustrar este concepto tomando como ejemplo formas de onda similares a las que se manejan en los convertidores de potencia. Forma de onda temporal

Armónicos ETH Zurich

ETH Zurich c[n] 1.0 phi[n]

a[n]

b[n]

Arrastrando los puntos se modifica la forma de onda

SELECT ALL

Figura 9. Descomposición de una onda periódica en armónicos (applet “Análisis de Fourier de una señal periódica pulsante” )

En la figura 9 se muestra la parte gráfica del applet que ilustra este concepto. En la parte izquierda aparece la forma de onda temporal que se va a analizar. Dicha forma de onda es un pulso periódico con una serie de puntos rojos. Moviendo con el ratón estos puntos el usuario cambia la forma de onda instantáneamente y simultáneamente cambia el nivel de armónicos que se representa en la parte derecha del gráfico. De esta manera se puede observar gráficamente cómo influyen parámetros como el ciclo de trabajo o el rizado en el contenido armónico. Por otro lado, se pueden seleccionar algunos armónicos para reconstruir la forma de onda, como se muestra en la figura 10. Si se pincha en cualquier columna de las que representan el nivel de los armónicos (magnitud, fase o coeficiente), aparece una forma de onda azul que es la suma de todos los armónicos señalados. Así se puede comprobar el error que se comete al considerar sólo algunos armónicos, cuántos hay que considerar, etc…

Armónicos seleccionados para la reconstrucción ETH Zurich

Forma de onda original

ETH Zurich

c[n] 1

1.0

5

10

15

20

phi[n]

a[n]

Forma de onda reconstruida b[n] SELECT ALL

Figura 10. Reconstrucción parcial de una onda a partir de algunos de sus armónicos (applet “Análisis de Fourier de una señal periódica pulsante” )

Ejemplo: el rectificador trifásico Los circuitos trifásicos en general no son sencillos de analizar, dada la cantidad de elementos de los circuitos. El profesor encuentra también dificultades en el aula, dada la complejidad de los dibujos que se suelen hacer en la pizarra. El rectificado trifásico de doble onda totalmente controlado es un ejemplo de ello.

Magnitudes en la salida Magitudes en la entrada Tensiones de control

Instante en el que se encuentra el circuito

Circuito

Figura 11 Parte gráfica del applet “Rectificador de onda completa trifásico”

En la figura 11 se muestra la parte gráfica del applet que ilustra el rectificador trifásico de doble onda totalmente controlado. En la parte superior aparecen formas de onda características, tales como tensiones y corriente de salida, de entrada y las rampas que generan los instantes de disparo. El usuario puede variar la carga, haciéndola más o menos inductiva, el ángulo de disparo y el instante en el que se muestra el camino de corriente en el

circuito eléctrico. En la figura 12 se pueden observar los circuitos que aparecen para tres instantes diferentes, viendo en cada caso cuál es el camino que sigue la corriente. El poder ver qué tiristores están conduciendo en cada instante en función de la carga y de ángulo de disparo, es algo muy útil tanto para el profesor como para el alumno. La explicación del circuito se facilita al poder generar instantáneamente y de forma muy sencilla las formas de onda que resultan de variar ciertos parámetros del circuito. Por otro lado, el alumno puede analizar por sus propios medios diversos casos de funcionamiento de este circuito.

uOut iOut uRS, uST, uTR

uRS

uTHYR

Alpha=10

Figura 12 Diferentes caminos de corriente en un rectificador trifásicos de onda completa en función del instante en el que se encuentre el circuito( applet “Rectificador de onda completa trifásico”)

Aplicación y resultados La herramienta interactiva propuesta está siendo utilizada en dos asignaturas de electrónica de potencia. La valoración de los profesores ha sido buena y, en general, la sensación de los alumnos también. Sin embargo, a la fecha de elaboración de este escrito, aun no se tienen resultados estadísticos que permitan hacer una valoración más precisa.

CONCLUSIONES Se ha propuesto una herramienta interactiva basada en página web para la enseñanza de la electrónica de potencia. La idea central es la de elaborar un material que complemente al profesor, pero si pretender sustituirlo. El profesor lo puede utilizar en el aula y el alumno lo puede hacer en el momento y lugar que elija, como complemente a la explicación de clase. La herramienta se articula sobre una serie de páginas web estructuradas según el programa de la asignatura, de manera que sea fácil de seguir y se conserve la visión global. Los gráficos que ilustran cada concepto son interactivos y permiten ver los cambios en tiempo real. El usuario puede modificar circuitos, formas de onda, y demás parámetros a la vez que observa simultáneamente el cambio que producen en la respuesta del sistema estudiado.

REFERENCIAS [1] Drofenik, U.; Kolar, J.W.;”Survey of modern approaches of education in power electronics” Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2002. APEC 2002. Seventeenth Annual IEEE , Volume: 2 , 10-14 Marzo 2002 Páginas:749 - 755 vol.2 [2] S. C. Brofferio, “A University Distance Lesson System: Experiments, Services and Future Developments”, IEEE Transactions on Educations, vol. 41, no. 1, pp. 17-24, February 1998 [3] Drofenik, U.; Kolar, J.W.; van Duijsen, P.J.; Bauer, P.; “New web-based interactive e-learning in power electronics and electrical machines” Industry Applications Conference, 2001. Thirty-Sixth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2001 IEEE , Volume: 3 , 30 Sept.-4 Oct. 2001 Páginas:1858 1865 vol.3 [4] R. Ubell, “Engineers Turn to E-Learning”, IEEE Spectrum, vol. 37, no. 10 , pp. 59-63, October 2000 [5] Interactive Power Electronics Seminar, www.ipes.ethz.ch [6] Drofenik, U.; Kolar, J.W.; ”Teaching thermal design of power electronic systems with web-based interactive educational software” Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2003. APEC '03. Eighteenth Annual IEEE , Volume: 2 , 9-13 Febrero 2003 Páginas:1029 - 1036 vol.2 [7] Drofenik, U.; Kolar, J.W.; “Interactive Power Electronics Seminar (iPES)-a web-based introductory power electronics course employing Java-applets” Power Electronics Specialists Conference, 2002. pesc 02. 2002 IEEE 33rd Annual , Volume: 2 , 23-27 Junio 2002 Páginas:443 - 448 vol.2