La electrónica de potencia es la aplicación de la electrónica al control y conversión de energía eléctrica .
Los primeros dispositivos electrónicos de alta potencia se fabricaron utilizando válvulas de arco de mercurio . En los sistemas modernos, la conversión se realiza con dispositivos de conmutación de semiconductores como diodos , tiristores y transistores de potencia como los MOSFET e IGBT de potencia . A diferencia de los sistemas electrónicos que se ocupan de la transmisión y el procesamiento de señales y datos, en la electrónica de potencia se procesan cantidades sustanciales de energía eléctrica. Un convertidor CA/CC ( rectificador ) es el dispositivo electrónico de potencia más típico que se encuentra en muchos dispositivos electrónicos de consumo, por ejemplo, televisores , ordenadores personales , cargadores de baterías , etc. El rango de potencia suele oscilar entre decenas de vatios y varios cientos de vatios. En la industria, una aplicación común es el variador de velocidad (VSD) que se utiliza para controlar un motor de inducción . El rango de potencia de los VSD va desde unos pocos cientos de vatios hasta decenas de megavatios .
Los sistemas de conversión de energía se pueden clasificar según el tipo de potencia de entrada y salida:
La electrónica de potencia comenzó con el desarrollo del rectificador de arco de mercurio. Inventado por Peter Cooper Hewitt en 1902, se utilizaba para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). A partir de la década de 1920, continuaron las investigaciones sobre la aplicación de tiratrones y válvulas de arco de mercurio controladas por rejilla a la transmisión de energía. Uno Lamm desarrolló una válvula de mercurio con electrodos de clasificación que los hace adecuados para la transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje . En 1933 se inventaron los rectificadores de selenio. [1]
Julius Edgar Lilienfeld propuso el concepto de transistor de efecto de campo en 1926, pero en ese momento no fue posible construir un dispositivo que funcionara. [2] En 1947, el transistor bipolar de contacto puntual fue inventado por Walter H. Brattain y John Bardeen bajo la dirección de William Shockley en Bell Labs . En 1948, la invención de Shockley del transistor de unión bipolar (BJT) mejoró la estabilidad y el rendimiento de los transistores y redujo los costos. En la década de 1950, los diodos semiconductores de mayor potencia estuvieron disponibles y comenzaron a reemplazar los tubos de vacío . En 1956, General Electric introdujo el rectificador controlado por silicio (SCR) , lo que aumentó considerablemente la gama de aplicaciones de la electrónica de potencia. [3] En la década de 1960, la velocidad de conmutación mejorada de los transistores de unión bipolar había permitido convertidores CC/CC de alta frecuencia.
RD Middlebrook hizo importantes contribuciones a la electrónica de potencia. En 1970 fundó Power Electronics Group en Caltech . [4] Desarrolló el método de análisis de promedio del espacio de estados y otras herramientas cruciales para el diseño moderno de electrónica de potencia. [5]
Un gran avance en la electrónica de potencia se produjo con la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. Generaciones de transistores MOSFET permitieron a los diseñadores de energía alcanzar niveles de rendimiento y densidad imposibles. con transistores bipolares. [6] Debido a las mejoras en la tecnología MOSFET (inicialmente utilizada para producir circuitos integrados ), el MOSFET de potencia estuvo disponible en la década de 1970.
En 1969, Hitachi introdujo el primer MOSFET de potencia vertical, [7] que más tarde se conocería como VMOS (V-groove MOSFET). [8] A partir de 1974, Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony y Toshiba comenzaron a fabricar amplificadores de audio con MOSFET de potencia. [9] International Rectifier introdujo un MOSFET de potencia de 25 A y 400 V en 1978. [10] Este dispositivo permite el funcionamiento a frecuencias más altas que un transistor bipolar, pero está limitado a aplicaciones de bajo voltaje.
El MOSFET de potencia es el dispositivo de potencia más común en el mundo, debido a su baja potencia de accionamiento de compuerta, rápida velocidad de conmutación, [11] capacidad avanzada de conexión en paralelo, [11] [12] amplio ancho de banda , robustez, fácil accionamiento, polarización simple, facilidad de aplicación y facilidad de reparación. [12] Tiene una amplia gama de aplicaciones de electrónica de potencia, como aparatos de información portátiles , circuitos integrados de potencia, teléfonos móviles , ordenadores portátiles y la infraestructura de comunicaciones que permite Internet . [13]
En 1982 se introdujo el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). Estuvo ampliamente disponible en la década de 1990. Este componente tiene la capacidad de manejo de potencia del transistor bipolar y las ventajas del accionamiento de puerta aislada del MOSFET de potencia.
Las capacidades y la economía de un sistema electrónico de potencia están determinadas por los dispositivos activos disponibles. Sus características y limitaciones son un elemento clave en el diseño de sistemas de electrónica de potencia. Anteriormente, la válvula de arco de mercurio , los rectificadores termoiónicos de diodos llenos de gas y de alto vacío, y los dispositivos disparadores como el tiratrón y el ignitron se utilizaban ampliamente en la electrónica de potencia. A medida que las clasificaciones de los dispositivos de estado sólido mejoraron tanto en voltaje como en capacidad de manejo de corriente, los dispositivos de vacío han sido reemplazados casi por completo por dispositivos de estado sólido.
Los dispositivos electrónicos de potencia se pueden utilizar como interruptores o como amplificadores. [14] Un interruptor ideal está abierto o cerrado y, por lo tanto, no disipa energía; resiste un voltaje aplicado y no pasa corriente o pasa cualquier cantidad de corriente sin caída de voltaje. Los dispositivos semiconductores utilizados como interruptores pueden aproximarse a esta propiedad ideal y, por lo tanto, la mayoría de las aplicaciones de electrónica de potencia dependen de encender y apagar dispositivos, lo que hace que los sistemas sean muy eficientes ya que se desperdicia muy poca energía en el interruptor. Por el contrario, en el caso del amplificador, la corriente que circula por el dispositivo varía continuamente según una entrada controlada. El voltaje y la corriente en los terminales del dispositivo siguen una línea de carga y la disipación de energía dentro del dispositivo es grande en comparación con la energía entregada a la carga.
Varios atributos dictan cómo se utilizan los dispositivos. Dispositivos como los diodos conducen cuando se aplica un voltaje directo y no tienen control externo del inicio de la conducción. Los dispositivos de potencia como los rectificadores y tiristores controlados por silicio (así como la válvula de mercurio y el tiratrón ) permiten controlar el inicio de la conducción, pero dependen de la inversión periódica del flujo de corriente para apagarlos. Los dispositivos como los tiristores de apagado de puerta y los transistores BJT y MOSFET brindan un control de conmutación total y se pueden encender o apagar sin tener en cuenta el flujo de corriente a través de ellos. Los dispositivos de transistores también permiten la amplificación proporcional, pero esto rara vez se usa en sistemas con potencia superior a unos pocos cientos de vatios. Las características de entrada de control de un dispositivo también afectan significativamente el diseño; A veces, la entrada de control tiene un voltaje muy alto con respecto a tierra y debe ser impulsada por una fuente aislada.
Como la eficiencia es muy importante en un convertidor electrónico de potencia, las pérdidas generadas por un dispositivo electrónico de potencia deben ser lo más bajas posible.
Los dispositivos varían en la velocidad de conmutación. Algunos diodos y tiristores son adecuados para velocidades relativamente lentas y son útiles para la conmutación y el control de la frecuencia eléctrica ; Ciertos tiristores son útiles a unos pocos kilohercios. Dispositivos como MOSFETS y BJT pueden conmutar desde decenas de kilohercios hasta unos pocos megahercios en aplicaciones de energía, pero con niveles de potencia decrecientes. Los dispositivos de tubo de vacío dominan aplicaciones de alta potencia (cientos de kilovatios) a muy alta frecuencia (cientos o miles de megahercios). Los dispositivos de conmutación más rápidos minimizan la pérdida de energía en las transiciones de encendido a apagado y viceversa, pero pueden crear problemas con la interferencia electromagnética radiada. Los circuitos de accionamiento de puerta (o equivalentes) deben diseñarse para suministrar suficiente corriente de accionamiento para lograr la máxima velocidad de conmutación posible con un dispositivo. Un dispositivo sin suficiente impulso para cambiar rápidamente puede destruirse por un calentamiento excesivo.
Los dispositivos prácticos tienen una caída de voltaje distinta de cero y disipan energía cuando están encendidos, y tardan algún tiempo en pasar a través de una región activa hasta que alcanzan el estado "encendido" o "apagado". Estas pérdidas son una parte importante de la potencia total perdida en un convertidor.
El manejo y la disipación de energía de los dispositivos también son factores críticos en el diseño. Es posible que los dispositivos electrónicos de potencia tengan que disipar decenas o cientos de vatios de calor residual, incluso cambiando lo más eficientemente posible entre estados conductores y no conductores. En el modo de conmutación, la potencia controlada es mucho mayor que la potencia disipada en el interruptor. La caída de tensión directa en el estado conductor se traduce en calor que debe disiparse. Los semiconductores de alta potencia requieren disipadores de calor especializados o sistemas de enfriamiento activos para controlar la temperatura de su unión ; Los semiconductores exóticos como el carburo de silicio tienen una ventaja sobre el silicio puro a este respecto, y el germanio, que alguna vez fue el soporte principal de la electrónica de estado sólido, ahora se usa poco debido a sus propiedades desfavorables a altas temperaturas.
Existen dispositivos semiconductores con capacidades nominales de hasta unos pocos kilovoltios en un solo dispositivo. Cuando se debe controlar un voltaje muy alto, se deben usar varios dispositivos en serie, con redes para ecualizar el voltaje en todos los dispositivos. Nuevamente, la velocidad de conmutación es un factor crítico ya que el dispositivo de conmutación más lento tendrá que soportar una parte desproporcionada del voltaje total. Las válvulas Mercury alguna vez estuvieron disponibles con capacidades nominales de hasta 100 kV en una sola unidad, lo que simplificaba su aplicación en sistemas HVDC .
La clasificación actual de un dispositivo semiconductor está limitada por el calor generado dentro de las matrices y el calor desarrollado en la resistencia de los cables de interconexión. Los dispositivos semiconductores deben diseñarse de manera que la corriente se distribuya uniformemente dentro del dispositivo a través de sus uniones (o canales) internos; Una vez que se desarrolla un "punto caliente", los efectos de la avería pueden destruir rápidamente el dispositivo. Ciertos SCR están disponibles con clasificaciones actuales de hasta 3000 amperios en una sola unidad.
Los convertidores de CC a CA producen una forma de onda de salida de CA a partir de una fuente de CC. Las aplicaciones incluyen variadores de velocidad ajustable (ASD), fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), sistemas de transmisión de CA flexibles (FACTS), compensadores de voltaje e inversores fotovoltaicos . Las topologías de estos convertidores se pueden dividir en dos categorías distintas: inversores de fuente de voltaje e inversores de fuente de corriente. Los inversores de fuente de voltaje (VSI) se denominan así porque la salida controlada independientemente es una forma de onda de voltaje. De manera similar, los inversores de fuente de corriente (CSI) se diferencian en que la salida de CA controlada es una forma de onda de corriente.
La conversión de energía de CC a CA es el resultado de dispositivos de conmutación de energía, que comúnmente son interruptores de energía semiconductores totalmente controlables. Por lo tanto, las formas de onda de salida se componen de valores discretos, lo que produce transiciones rápidas en lugar de suaves. Para algunas aplicaciones, incluso una aproximación aproximada de la forma de onda sinusoidal de la alimentación de CA es adecuada. Cuando se requiere una forma de onda casi sinusoidal, los dispositivos de conmutación funcionan mucho más rápido que la frecuencia de salida deseada y el tiempo que pasan en cualquiera de los estados se controla de modo que la salida promedio sea casi sinusoidal. Las técnicas de modulación comunes incluyen la técnica basada en portadora o modulación de ancho de pulso , la técnica de vector espacial y la técnica de armónico selectivo. [15]
Los inversores de fuente de voltaje tienen usos prácticos tanto en aplicaciones monofásicas como trifásicas. Los VSI monofásicos utilizan configuraciones de medio puente y puente completo, y se usan ampliamente para fuentes de alimentación, UPS monofásicos y topologías elaboradas de alta potencia cuando se usan en configuraciones de múltiples celdas. Los VSI trifásicos se utilizan en aplicaciones que requieren formas de onda de voltaje sinusoidales, como ASD, UPS y algunos tipos de dispositivos FACTS como STATCOM . También se utilizan en aplicaciones donde se requieren voltajes arbitrarios, como en el caso de filtros de potencia activos y compensadores de voltaje. [15]
Los inversores de fuente de corriente se utilizan para producir una corriente de salida de CA a partir de un suministro de corriente de CC. Este tipo de inversor es práctico para aplicaciones trifásicas en las que se requieren formas de onda de voltaje de alta calidad.
Una clase relativamente nueva de inversores, llamados inversores multinivel, ha ganado un gran interés. El funcionamiento normal de los CSI y VSI se puede clasificar como inversores de dos niveles, debido al hecho de que los interruptores de alimentación se conectan al bus de CC positivo o negativo. Si hubiera más de dos niveles de voltaje disponibles para los terminales de salida del inversor, la salida de CA podría aproximarse mejor a una onda sinusoidal. Es por ello que los inversores multinivel, aunque más complejos y costosos, ofrecen mayores prestaciones. [dieciséis]
Cada tipo de inversor difiere en los enlaces de CC utilizados y en si requieren o no diodos de rueda libre . Se puede hacer que cualquiera de los dos funcione en modo de onda cuadrada o de modulación de ancho de pulso (PWM), según el uso previsto. El modo de onda cuadrada ofrece simplicidad, mientras que PWM se puede implementar de varias maneras diferentes y produce formas de onda de mayor calidad. [15]
Los inversores de fuente de voltaje (VSI) alimentan la sección del inversor de salida desde una fuente de voltaje aproximadamente constante. [15]
La calidad deseada de la forma de onda de salida actual determina qué técnica de modulación debe seleccionarse para una aplicación determinada. La salida de un VSI se compone de valores discretos. Para obtener una forma de onda de corriente uniforme, las cargas deben ser inductivas en las frecuencias armónicas seleccionadas. Sin algún tipo de filtrado inductivo entre la fuente y la carga, una carga capacitiva hará que la carga reciba una forma de onda de corriente entrecortada, con picos de corriente grandes y frecuentes. [15]
Hay tres tipos principales de VSI:
Los inversores de medio puente de fuente de voltaje monofásicos están diseñados para aplicaciones de voltaje más bajo y se usan comúnmente en fuentes de alimentación. [15] La Figura 9 muestra el esquema del circuito de este inversor.
Los armónicos de corriente de orden bajo se inyectan nuevamente al voltaje de la fuente mediante el funcionamiento del inversor. Esto significa que en este diseño se necesitan dos condensadores grandes para fines de filtrado. [15] Como ilustra la Figura 9, solo se puede encender un interruptor a la vez en cada tramo del inversor. Si ambos interruptores de un tramo estuvieran encendidos al mismo tiempo, la fuente de CC sufriría un cortocircuito.
Los inversores pueden utilizar varias técnicas de modulación para controlar sus esquemas de conmutación. La técnica PWM basada en portadora compara la forma de onda de salida de CA, v c , con una señal de voltaje portador, v Δ . Cuando v c es mayor que v Δ , S+ está activado, y cuando v c es menor que v Δ , S− está activado. Cuando la salida de CA está en la frecuencia fc con su amplitud en v c , y la señal portadora triangular está en la frecuencia f Δ con su amplitud en v Δ , el PWM se convierte en un caso sinusoidal especial del PWM basado en portadora. [15] Este caso se denomina modulación de ancho de pulso sinusoidal (SPWM). Para ello, el índice de modulación, o relación de modulación de amplitud, se define como m a = v c /v ∆ .
La frecuencia portadora normalizada, o relación de modulación de frecuencia, se calcula utilizando la ecuación m f = f ∆ /f c . [17]
Si la región de sobremodulación, ma, excede uno, se observará un voltaje de salida de CA fundamental más alto, pero a costa de la saturación. Para SPWM, los armónicos de la forma de onda de salida están en frecuencias y amplitudes bien definidas. Esto simplifica el diseño de los componentes de filtrado necesarios para la inyección de armónicos de corriente de bajo orden durante el funcionamiento del inversor. La amplitud máxima de salida en este modo de operación es la mitad del voltaje de la fuente. Si la amplitud máxima de salida, m a , excede 3,24, la forma de onda de salida del inversor se convierte en una onda cuadrada. [15]
Como sucedió con la modulación de ancho de pulso (PWM), ambos interruptores en un tramo para modulación de onda cuadrada no se pueden encender al mismo tiempo, ya que esto causaría un cortocircuito en la fuente de voltaje. El esquema de conmutación requiere que tanto S+ como S- estén encendidos durante medio ciclo del período de salida de CA. [15] La amplitud de salida de CA fundamental es igual a v o1 = v aN = 2v i /π .
Sus armónicos tienen una amplitud de v oh = v o1 /h .
Por lo tanto, el voltaje de salida de CA no está controlado por el inversor, sino por la magnitud del voltaje de entrada de CC del inversor. [15]
El uso de la eliminación selectiva de armónicos (SHE) como técnica de modulación permite la conmutación del inversor para eliminar selectivamente los armónicos intrínsecos. El componente fundamental del voltaje de salida de CA también se puede ajustar dentro de un rango deseable. Dado que el voltaje de salida de CA obtenido con esta técnica de modulación tiene simetría de mitad impar y cuarto de onda impar, los armónicos pares no existen. [15] Se puede eliminar cualquier armónico intrínseco impar (N-1) indeseable de la forma de onda de salida.
El inversor de puente completo es similar al inversor de medio puente, pero tiene una pata adicional para conectar el punto neutro a la carga. [15] La Figura 3 muestra el esquema del circuito del inversor de puente completo de fuente de voltaje monofásico.
Para evitar un cortocircuito en la fuente de voltaje, S1+ y S1− no pueden estar encendidos al mismo tiempo, y S2+ y S2− tampoco pueden estar encendidos al mismo tiempo. Cualquier técnica de modulación utilizada para la configuración de puente completo debe tener activado el interruptor superior o inferior de cada pata en un momento dado. Debido al tramo adicional, la amplitud máxima de la forma de onda de salida es Vi y es dos veces mayor que la amplitud de salida máxima alcanzable para la configuración de medio puente. [15]
Los estados 1 y 2 de la Tabla 2 se utilizan para generar el voltaje de salida de CA con SPWM bipolar. El voltaje de salida de CA sólo puede tomar dos valores, Vi o −Vi. Para generar estos mismos estados usando una configuración de medio puente, se puede usar una técnica basada en portadora. S+ activado para el medio puente corresponde a S1+ y S2− activado para el puente completo. De manera similar, S- activado para el medio puente corresponde a S1- y S2+ activado para el puente completo. La tensión de salida para esta técnica de modulación es más o menos sinusoidal, con una componente fundamental que tiene una amplitud en la región lineal menor o igual a uno [15] v o1 =v ab1 = vi • m a .
A diferencia de la técnica PWM bipolar, el enfoque unipolar utiliza los estados 1, 2, 3 y 4 de la Tabla 2 para generar su voltaje de salida de CA. Por lo tanto, la tensión de salida CA puede tomar los valores Vi, 0 o −V [1]i. Para generar estos estados, se necesitan dos señales moduladoras sinusoidales, Vc y −Vc, como se ve en la Figura 4.
Vc se utiliza para generar VaN, mientras que –Vc se utiliza para generar VbN. La siguiente relación se denomina SPWM unipolar basada en portadora v o1 =2 • v aN1 = vi • m a .
Los voltajes de fase VaN y VbN son idénticos, pero desfasados 180 grados entre sí. La tensión de salida es igual a la diferencia de las tensiones bifásicas y no contiene armónicos pares. Por lo tanto, si se toma mf, incluso los armónicos del voltaje de salida de CA aparecerán en frecuencias impares normalizadas, fh. Estas frecuencias se centran en el doble del valor de la frecuencia portadora normalizada. Esta característica particular permite componentes de filtrado más pequeños cuando se intenta obtener una forma de onda de salida de mayor calidad. [15]
Como fue el caso del SHE de medio puente, el voltaje de salida de CA no contiene armónicos pares debido a su simetría de media onda impar y cuarto de onda impar. [15]
_Switch_State_S1_b)_Switch_State_S3_c)_S1_Output_d)_S3_Output.jpg/1280px-Three-Phase_Square-Wave_Operation_a)_Switch_State_S1_b)_Switch_State_S3_c)_S1_Output_d)_S3_Output.jpg)
Las VSI monofásicas se utilizan principalmente para aplicaciones de rango de potencia baja, mientras que las VSI trifásicas cubren aplicaciones de rango de potencia media y alta. [15] La Figura 5 muestra el esquema del circuito para un VSI trifásico.
Los interruptores en cualquiera de las tres patas del inversor no se pueden apagar simultáneamente debido a que los voltajes dependen de la polaridad de la corriente de línea respectiva. Los estados 7 y 8 producen voltajes de línea de CA nulos, lo que da como resultado que las corrientes de línea de CA circulen libremente a través de los componentes superiores o inferiores. Sin embargo, los voltajes de línea para los estados 1 a 6 producen un voltaje de línea de CA que consta de los valores discretos de Vi, 0 o −Vi. [15]
Para SPWM trifásico, se utilizan tres señales moduladoras que están desfasadas 120 grados entre sí para producir voltajes de carga desfasados. Para preservar las características de PWM con una única señal portadora, la frecuencia portadora normalizada, mf, debe ser múltiplo de tres. Esto mantiene la magnitud de los voltajes de fase idéntica, pero desfasada entre sí en 120 grados. [15] La amplitud máxima de voltaje de fase alcanzable en la región lineal, ma menor o igual a uno, es v fase = v i / 2 . La amplitud máxima de tensión de línea alcanzable es V ab1 = v ab • √ 3 / 2
La única forma de controlar el voltaje de carga es cambiando el voltaje CC de entrada.
_Carrier_and_Modulating_Signals_b)_S1_State_c)_S3_State_d)_Output_Current.jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Los inversores de fuente de corriente convierten la corriente CC en una forma de onda de corriente CA. En aplicaciones que requieren formas de onda de CA sinusoidales, se deben controlar la magnitud, la frecuencia y la fase. Los CSI tienen grandes cambios en la corriente a lo largo del tiempo, por lo que los condensadores se emplean comúnmente en el lado de CA, mientras que los inductores se emplean comúnmente en el lado de CC. [15] Debido a la ausencia de diodos de rueda libre, el circuito de potencia se reduce en tamaño y peso, y tiende a ser más confiable que los VSI. [16] Aunque las topologías monofásicas son posibles, las CSI trifásicas son más prácticas.
En su forma más generalizada, un CSI trifásico emplea la misma secuencia de conducción que un rectificador de seis pulsos. En cualquier momento, sólo están encendidos un interruptor de cátodo común y un interruptor de ánodo común. [dieciséis]
Como resultado, las corrientes de línea toman valores discretos de –ii, 0 y ii. Los estados se eligen de manera que se genere una forma de onda deseada y solo se utilicen estados válidos. Esta selección se basa en técnicas de modulación, que incluyen PWM basada en portadora, eliminación selectiva de armónicos y técnicas de vector espacial. [15]
Las técnicas basadas en portadoras utilizadas para VSI también se pueden implementar para CSI, lo que da como resultado corrientes de línea CSI que se comportan de la misma manera que los voltajes de línea VSI. El circuito digital utilizado para modular señales contiene un generador de impulsos de conmutación, un generador de impulsos de cortocircuito, un distribuidor de impulsos de cortocircuito y un combinador de impulsos de conmutación y cortocircuito. Se produce una señal de activación basada en una corriente portadora y tres señales moduladoras. [15]
Se agrega un pulso de cortocircuito a esta señal cuando no hay interruptores superiores ni inferiores activados, lo que hace que las corrientes RMS sean iguales en todos los tramos. Se utilizan los mismos métodos para cada fase, sin embargo, las variables de conmutación están desfasadas 120 grados entre sí y los pulsos de corriente se desplazan medio ciclo con respecto a las corrientes de salida. Si se utiliza una portadora triangular con señales de modulación sinusoidal, se dice que el CSI utiliza modulación de ancho de pulso sincronizada (SPWM). Si se utiliza sobremodulación completa junto con SPWM, se dice que el inversor está en funcionamiento de onda cuadrada. [15]
La segunda categoría de modulación CSI, SHE, también es similar a su contraparte VSI. La utilización de las señales de activación desarrolladas para un VSI y un conjunto de señales de corriente sinusoidales sincronizadas da como resultado pulsos de cortocircuito distribuidos simétricamente y, por lo tanto, patrones de activación simétricos. Esto permite eliminar cualquier número arbitrario de armónicos. [15] También permite el control de la corriente de línea fundamental mediante la selección adecuada de los ángulos de conmutación primarios. Los patrones de conmutación óptimos deben tener simetría de cuarto de onda y media onda, así como simetría de aproximadamente 30 grados y 150 grados. Nunca se permiten patrones de cambio entre 60 grados y 120 grados. La ondulación de la corriente se puede reducir aún más mediante el uso de condensadores de salida más grandes o aumentando el número de pulsos de conmutación. [dieciséis]
La tercera categoría, la modulación basada en vectores espaciales, genera corrientes de línea de carga PWM que, en promedio, son iguales a las corrientes de línea de carga. Los estados de conmutación válidos y las selecciones de tiempo se realizan digitalmente basándose en la transformación del vector espacial. Las señales moduladoras se representan como un vector complejo mediante una ecuación de transformación. Para señales sinusoidales trifásicas balanceadas, este vector se convierte en un módulo fijo, que gira a una frecuencia ω. Estos vectores espaciales se utilizan luego para aproximar la señal moduladora. Si la señal está entre vectores arbitrarios, los vectores se combinan con los vectores cero I7, I8 o I9. [15] Las siguientes ecuaciones se utilizan para garantizar que las corrientes generadas y los vectores de corriente sean equivalentes en promedio.
Una clase relativamente nueva llamada inversores multinivel ha ganado un gran interés. El funcionamiento normal de los CSI y VSI se puede clasificar como inversores de dos niveles porque los interruptores de alimentación se conectan al bus de CC positivo o negativo. [16] Si hubiera más de dos niveles de voltaje disponibles para los terminales de salida del inversor, la salida de CA podría aproximarse mejor a una onda sinusoidal. [15] Por esta razón los inversores multinivel, aunque más complejos y costosos, ofrecen un mayor rendimiento. [16] En la Figura 10 se muestra un inversor de tres niveles con sujeción a neutro.
Los métodos de control para un inversor de tres niveles solo permiten que dos interruptores de los cuatro interruptores en cada pata cambien simultáneamente los estados de conducción. Esto permite una conmutación fluida y evita disparos seleccionando únicamente estados válidos. [16] También se puede observar que dado que el voltaje del bus de CC es compartido por al menos dos válvulas de potencia, sus valores nominales de voltaje pueden ser menores que los de una contraparte de dos niveles.
Para topologías multinivel se utilizan técnicas de modulación basada en portadora y de vector espacial. Los métodos de estas técnicas siguen los de los inversores clásicos, pero con mayor complejidad. La modulación de vector espacial ofrece una mayor cantidad de vectores de voltaje fijo para usar en la aproximación de la señal de modulación y, por lo tanto, permite lograr estrategias PWM de vector espacial más efectivas a costa de algoritmos más elaborados. Debido a la mayor complejidad y la cantidad de dispositivos semiconductores, los inversores multinivel son actualmente más adecuados para aplicaciones de alto voltaje y alta potencia. [16] Esta tecnología reduce los armónicos y por lo tanto mejora la eficiencia general del esquema.
La conversión de energía CA en energía CA permite controlar el voltaje, la frecuencia y la fase de la forma de onda aplicada a una carga desde un sistema de CA suministrado. [18] Las dos categorías principales que se pueden utilizar para separar los tipos de convertidores son si se cambia la frecuencia de la forma de onda. [19] Los convertidores CA/CA que no permiten al usuario modificar las frecuencias se conocen como controladores de voltaje CA o reguladores CA. Los convertidores de CA que permiten al usuario cambiar la frecuencia se denominan simplemente convertidores de frecuencia para conversión de CA a CA. En convertidores de frecuencia, hay tres tipos diferentes de convertidores que se utilizan normalmente: cicloconvertidor, convertidor matricial y convertidor de enlace de CC (también conocido como convertidor de CA/CC/CA).
Controlador de voltaje de CA: El propósito de un controlador de voltaje de CA, o regulador de CA, es variar el voltaje RMS en la carga mientras se encuentra a una frecuencia constante. [18] Tres métodos de control generalmente aceptados son el control ON/OFF, el control de ángulo de fase y el control del interruptor de CA con modulación de ancho de pulso (control del interruptor de CA PWM). [20] Estos tres métodos se pueden implementar no sólo en circuitos monofásicos, sino también en circuitos trifásicos.
Convertidores de matriz y cicloconvertidores: los cicloconvertidores se utilizan ampliamente en la industria para la conversión de CA a CA, porque pueden usarse en aplicaciones de alta potencia. Son convertidores de frecuencia directos conmutados que se sincronizan mediante una línea de alimentación. Las formas de onda de voltaje de salida de los cicloconvertidores tienen armónicos complejos y los armónicos de orden superior son filtrados por la inductancia de la máquina. Provocando que la corriente de la máquina tenga menos armónicos, mientras que los armónicos restantes provocan pérdidas y pulsaciones de par. Tenga en cuenta que en un cicloconvertidor, a diferencia de otros convertidores, no hay inductores ni condensadores, es decir, no hay dispositivos de almacenamiento. Por esta razón, la potencia de entrada instantánea y la potencia de salida son iguales. [21]
Con los recientes avances en dispositivos, se están desarrollando nuevas formas de cicloconvertidores, como los convertidores matriciales. El primer cambio que se nota por primera vez es que los convertidores matriciales utilizan interruptores bipolares bidireccionales. Un convertidor matricial monofásico a monofásico consta de una matriz de 9 interruptores que conectan las tres fases de entrada a la fase de salida del árbol. Cualquier fase de entrada y fase de salida se pueden conectar juntas en cualquier momento sin conectar dos interruptores de la misma fase al mismo tiempo; de lo contrario se producirá un cortocircuito en las fases de entrada. Los convertidores matriciales son más ligeros, compactos y versátiles que otras soluciones de convertidor. Como resultado, pueden lograr mayores niveles de integración, operación a mayor temperatura, amplia frecuencia de salida y flujo de energía bidireccional natural adecuado para regenerar energía de regreso a la empresa de servicios públicos.
Los convertidores matriciales se subdividen en dos tipos: convertidores directos e indirectos. Un convertidor matricial directo con entrada trifásica y salida trifásica, los interruptores en un convertidor matricial deben ser bidireccionales, es decir, deben poder bloquear voltajes de cualquier polaridad y conducir corriente en cualquier dirección. Esta estrategia de conmutación permite la tensión de salida más alta posible y reduce la corriente reactiva del lado de la línea. Por tanto, el flujo de potencia a través del convertidor es reversible. Debido a su problema de conmutación y control complejo, no se puede utilizar ampliamente en la industria.
A diferencia de los convertidores matriciales directos, los convertidores matriciales indirectos tienen la misma funcionalidad, pero utilizan secciones de entrada y salida separadas que están conectadas a través de un enlace de CC sin elementos de almacenamiento. El diseño incluye un rectificador de fuente de corriente de cuatro cuadrantes y un inversor de fuente de voltaje. La sección de entrada consta de interruptores bipolares bidireccionales. La estrategia de conmutación se puede aplicar cambiando el estado de conmutación de la sección de entrada mientras la sección de salida está en modo libre. Este algoritmo de conmutación es significativamente menos complejo y tiene mayor confiabilidad en comparación con un convertidor matricial directo convencional. [22]
Convertidores de enlace de CC: Los convertidores de enlace de CC, también conocidos como convertidores de CA/CC/CA, convierten una entrada de CA en una salida de CA con el uso de un enlace de CC en el medio. Lo que significa que la energía en el convertidor se convierte a CC desde CA con el uso de un rectificador, y luego se vuelve a convertir a CA desde CC con el uso de un inversor. El resultado final es una salida con un voltaje más bajo y una frecuencia variable (mayor o menor). [20] Debido a su amplia área de aplicación, los convertidores AC/DC/AC son la solución contemporánea más común. Otras ventajas de los convertidores CA/CC/CA es que son estables en condiciones de sobrecarga y sin carga, además de que pueden desconectarse de una carga sin sufrir daños. [23]
Convertidor de matriz híbrido: Los convertidores de matriz híbridos son relativamente nuevos para los convertidores CA/CA. Estos convertidores combinan el diseño AC/DC/AC con el diseño de convertidor matricial. Se han desarrollado múltiples tipos de convertidores híbridos en esta nueva categoría, siendo un ejemplo un convertidor que utiliza interruptores unidireccionales y dos etapas de convertidor sin el enlace de CC; sin los condensadores o inductores necesarios para un enlace de CC, se reduce el peso y el tamaño del convertidor. Existen dos subcategorías de convertidores híbridos, denominadas convertidor de matriz directa híbrida (HDMC) y convertidor de matriz indirecta híbrida (HIMC). HDMC convierte el voltaje y la corriente en una etapa, mientras que HIMC utiliza etapas separadas, como el convertidor CA/CC/CA, pero sin el uso de un elemento de almacenamiento intermedio. [24] [25]
Aplicaciones: a continuación se muestra una lista de aplicaciones comunes en las que se utiliza cada convertidor.
Los circuitos electrónicos de potencia se simulan utilizando programas de simulación por computadora como SIMBA, PLECS , PSIM , SPICE , MATLAB /simulink y OpenModelica . Los circuitos se simulan antes de producirse para probar cómo responden en determinadas condiciones. Además, crear una simulación es más barato y más rápido que crear un prototipo para utilizarlo en pruebas. [26]
Las aplicaciones de la electrónica de potencia varían en tamaño, desde una fuente de alimentación de modo conmutado en un adaptador de CA , cargadores de baterías, amplificadores de audio, balastros de lámparas fluorescentes , hasta variadores de frecuencia y motores de CC utilizados para operar bombas, ventiladores y maquinaria de fabricación, hasta gigavatios. Sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje a escala utilizados para interconectar redes eléctricas. [27] Los sistemas electrónicos de potencia se encuentran en prácticamente todos los dispositivos electrónicos. Por ejemplo:
Los motores se encuentran en bombas, sopladores y motores de molinos para instalaciones textiles, papeleras y de cemento, entre otras. Se pueden utilizar unidades para conversión de energía y para control de movimiento. [28] Para los motores de CA, las aplicaciones incluyen variadores de frecuencia , arrancadores suaves de motores y sistemas de excitación. [29]
En los vehículos eléctricos híbridos (HEV), la electrónica de potencia se utiliza en dos formatos: híbrido en serie e híbrido en paralelo. La diferencia entre un híbrido en serie y un híbrido en paralelo es la relación del motor eléctrico con el motor de combustión interna (ICE). Los dispositivos utilizados en los vehículos eléctricos consisten principalmente en convertidores CC/CC para cargar la batería y convertidores CC/CA para alimentar el motor de propulsión. Los trenes eléctricos utilizan dispositivos electrónicos de potencia para obtener energía, así como para el control vectorial mediante rectificadores de modulación de ancho de pulso (PWM). Los trenes obtienen su energía de las líneas eléctricas. Otro nuevo uso de la electrónica de potencia es el de los sistemas de ascensores. Estos sistemas pueden utilizar tiristores , inversores, motores de imanes permanentes o varios sistemas híbridos que incorporan sistemas PWM y motores estándar. [30]
En general, los inversores se utilizan en aplicaciones que requieren conversión directa de energía eléctrica de CC a CA o conversión indirecta de CA a CA. La conversión de CC a CA es útil para muchos campos, incluido el acondicionamiento de energía, la compensación armónica, los accionamientos de motores, la integración de redes de energía renovable y los sistemas de energía solar para naves espaciales .
En los sistemas de potencia a menudo se desea eliminar el contenido armónico que se encuentra en las corrientes de línea. Los VSI se pueden utilizar como filtros de potencia activos para proporcionar esta compensación. Basado en las corrientes y voltajes de línea medidos, un sistema de control determina las señales de corriente de referencia para cada fase. Esto se retroalimenta a través de un bucle externo y se resta de las señales de corriente reales para crear señales de corriente para un bucle interno al inversor. Estas señales luego hacen que el inversor genere corrientes de salida que compensen el contenido armónico. Esta configuración no requiere ningún consumo real de energía, ya que está completamente alimentada por la línea; El enlace de CC es simplemente un condensador que el sistema de control mantiene a un voltaje constante. [15] En esta configuración, las corrientes de salida están en fase con los voltajes de línea para producir un factor de potencia unitario. Por el contrario, la compensación VAR es posible en una configuración similar donde las corrientes de salida conducen a los voltajes de línea para mejorar el factor de potencia general. [dieciséis]
En instalaciones que requieren energía en todo momento, como hospitales y aeropuertos, se utilizan sistemas UPS. En un sistema de reserva, un inversor se pone en línea cuando se interrumpe el suministro normal de red. La energía se extrae instantáneamente de las baterías en el sitio y el VSI la convierte en voltaje de CA utilizable, hasta que se restablece la energía de la red o hasta que los generadores de respaldo se ponen en línea. En un sistema UPS en línea, se utiliza un inversor de enlace de CC rectificador para proteger la carga contra transitorios y contenido armónico. La salida mantiene completamente cargada una batería en paralelo con el enlace de CC en caso de que se interrumpa la alimentación de la red, mientras que la salida del inversor se alimenta a través de un filtro de paso bajo a la carga. Se logra una alta calidad de energía e independencia de perturbaciones. [15]
Se han desarrollado varios variadores de velocidad para motores de CA para el control de velocidad, par y posición de motores de CA. Estas unidades se pueden clasificar como de bajo rendimiento o de alto rendimiento, según si están controladas por escalar o por vector , respectivamente. En los variadores controlados por escalar, la corriente fundamental del estator, o la frecuencia y amplitud del voltaje, son las únicas cantidades controlables. Por lo tanto, estos variadores se emplean en aplicaciones donde no se requiere un control de alta calidad, como ventiladores y compresores. Por otro lado, los accionamientos controlados por vectores permiten controlar de forma continua valores instantáneos de corriente y tensión. Este alto rendimiento es necesario para aplicaciones como ascensores y coches eléctricos. [15]
Los inversores también son vitales para muchas aplicaciones de energía renovable. En fines fotovoltaicos, el inversor, que suele ser un VSI PWM, se alimenta de la salida de energía eléctrica de CC de un módulo o conjunto fotovoltaico. Luego, el inversor lo convierte en voltaje de CA para interconectarlo con una carga o con la red pública. Los inversores también se pueden emplear en otros sistemas renovables, como las turbinas eólicas. En estas aplicaciones, la velocidad de la turbina suele variar, provocando cambios en la frecuencia del voltaje y, a veces, en la magnitud. En este caso, el voltaje generado se puede rectificar y luego invertir para estabilizar la frecuencia y la magnitud. [15]
Una red inteligente es una red eléctrica modernizada que utiliza tecnología de la información y las comunicaciones para recopilar y actuar sobre información, como información sobre los comportamientos de proveedores y consumidores, de forma automatizada para mejorar la eficiencia, la confiabilidad, la economía y la sostenibilidad de la producción. y distribución de electricidad. [31] [32]
La energía eléctrica generada por turbinas eólicas y turbinas hidroeléctricas mediante el uso de generadores de inducción puede provocar variaciones en la frecuencia con la que se genera la energía. En estos sistemas se utilizan dispositivos electrónicos de potencia para convertir los voltajes de CA generados en corriente continua de alto voltaje ( HVDC ). La energía HVDC se puede convertir más fácilmente en energía trifásica que sea coherente con la energía asociada a la red eléctrica existente. A través de estos dispositivos, la energía entregada por estos sistemas es más limpia y tiene un mayor factor de potencia asociado. El par óptimo de los sistemas de energía eólica se obtiene a través de una caja de cambios o tecnologías de accionamiento directo que pueden reducir el tamaño del dispositivo electrónico de potencia. [33]
La energía eléctrica se puede generar a través de células fotovoltaicas mediante el uso de dispositivos electrónicos de potencia. La energía producida normalmente se transforma posteriormente mediante inversores solares . Los inversores se dividen en tres tipos diferentes: centrales, integrados en módulos y string. Los convertidores centrales se pueden conectar en paralelo o en serie en el lado CC del sistema. En el caso de las "granjas" fotovoltaicas, se utiliza un único convertidor central para todo el sistema. Los convertidores integrados en módulos se conectan en serie en el lado de CC o de CA. Normalmente se utilizan varios módulos dentro de un sistema fotovoltaico, ya que el sistema requiere estos convertidores tanto en los terminales DC como AC. Un convertidor de cadena se utiliza en un sistema que utiliza células fotovoltaicas orientadas en diferentes direcciones. Se utiliza para convertir la energía generada a cada cadena, o línea, en la que interactúan las células fotovoltaicas. [33]
La electrónica de potencia se puede utilizar para ayudar a las empresas de servicios públicos a adaptarse al rápido aumento de la generación distribuida de energía solar residencial/comercial . Alemania y partes de Hawaii, California y Nueva Jersey requieren la realización de costosos estudios antes de aprobar nuevas instalaciones solares. Los dispositivos de escala relativamente pequeña, montados en tierra o en postes, crean el potencial para que una infraestructura de control distribuido monitoree y administre el flujo de energía. Los sistemas electromecánicos tradicionales, como baterías de condensadores o reguladores de voltaje en subestaciones , pueden tardar minutos en ajustar el voltaje y pueden estar alejados de las instalaciones solares donde se originan los problemas. Si el voltaje en un circuito local sube demasiado, puede poner en peligro al personal de servicios públicos y causar daños tanto a los equipos de servicios públicos como a los del cliente. Además, una falla en la red hace que los generadores fotovoltaicos se apaguen inmediatamente, lo que aumenta la demanda de energía de la red. Los reguladores basados en redes inteligentes son más controlables que muchos más dispositivos de consumo. [34]
En otro enfoque, un grupo de 16 empresas de servicios públicos occidentales llamado Western Electric Industry Leaders pidió el uso obligatorio de "inversores inteligentes". Estos dispositivos convierten CC en CA doméstica y también pueden ayudar con la calidad de la energía. Dichos dispositivos podrían eliminar la necesidad de costosas actualizaciones de equipos de servicios públicos a un costo total mucho menor. [34]
Estos componentes electrónicos activos, o productos semiconductores de potencia, de Siliconix se utilizan para conmutar y convertir energía en una amplia gama de sistemas, desde aparatos de información portátiles hasta la infraestructura de comunicaciones que permite Internet. Los MOSFET de energía de la compañía (pequeños interruptores de estado sólido o transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico) y los circuitos integrados de energía de la compañía se usan ampliamente en teléfonos celulares y computadoras portátiles para administrar la energía de la batería de manera eficiente.
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
