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 el MOSFET de potencia y el IGBT . A diferencia de los sistemas electrónicos relacionados con la transmisión y el procesamiento de señales y datos, en la electrónica de potencia se procesan cantidades sustanciales de energía eléctrica. Un convertidor de CA/CC ( rectificador ) es el dispositivo de electrónica de potencia más típico que se encuentra en muchos dispositivos electrónicos de consumo, por ejemplo, televisores , computadoras personales , cargadores de baterías , etc. El rango de potencia suele ser de decenas de vatios a 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 comienza desde unos pocos cientos de vatios y termina en 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, se continuó investigando sobre la aplicación de tiratrones y válvulas de arco de mercurio controladas por red a la transmisión de energía. Uno Lamm desarrolló una válvula de mercurio con electrodos de graduación que los hacían 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 un transistor de efecto de campo en 1926, pero no fue posible construir realmente un dispositivo funcional en ese momento. [2] En 1947, Walter H. Brattain y John Bardeen inventaron el transistor de punto de contacto bipolar 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 a los tubos de vacío . En 1956, General Electric introdujo el rectificador controlado de silicio (SCR) , lo que aumentó en gran medida 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 realizó importantes contribuciones a la electrónica de potencia. En 1970, fundó el Grupo de Electrónica de Potencia en Caltech . [4] Desarrolló el método de análisis de promedios en el espacio de estados y otras herramientas cruciales para el diseño de la electrónica de potencia moderna. [5]
En 1957, Frosch y Derick lograron fabricar los primeros transistores de efecto de campo de dióxido de silicio en Bell Labs, los primeros transistores en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la superficie. [6] Posteriormente, Dawon Kahng dirigió un artículo que demostraba un MOSFET funcional con su equipo de Bell Labs en 1960. Su equipo incluía a EE LaBate y EI Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; MO Thurston, LA D'Asaro y JR Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión, y HK Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. [7] [8]
En 1969, Hitachi introdujo el primer MOSFET de potencia vertical, [9] que más tarde se conocería como VMOS (V-groove MOSFET). [10] A partir de 1974, Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony y Toshiba comenzaron a fabricar amplificadores de audio con MOSFET de potencia. [11] International Rectifier introdujo un MOSFET de potencia de 25 A y 400 V en 1978. [12] 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 bajo consumo de energía de accionamiento de compuerta, rápida velocidad de conmutación, [13] capacidad de paralelismo avanzado y fácil, [13] [14] amplio ancho de banda , robustez, fácil accionamiento, polarización simple, facilidad de aplicación y facilidad de reparación. [14] Tiene una amplia gama de aplicaciones electrónicas de potencia, como dispositivos de información portátiles , circuitos integrados de potencia, teléfonos celulares , computadoras portátiles y la infraestructura de comunicaciones que posibilita Internet . [15]
En 1982 se introdujo el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), que se generalizó en la década de 1990. Este componente tiene la capacidad de manejo de potencia del transistor bipolar y las ventajas del control de puerta aislada del MOSFET de potencia.
Las capacidades y la economía de los sistemas de electrónica 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 diodo de alto vacío y llenos de gas y los dispositivos disparados como el tiratrón y el ignitrón se usaban ampliamente en electrónica de potencia. A medida que las clasificaciones de los dispositivos de estado sólido mejoraron tanto en capacidad de manejo de voltaje como 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. [16] Un interruptor ideal está abierto o cerrado y, por lo tanto, no disipa energía; soporta 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 se basan en 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 a través del dispositivo varía continuamente de acuerdo con 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. Los 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 controlados por silicio y los tiristores (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 por compuerta, los transistores BJT y MOSFET proporcionan un control de conmutación completo 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 para sistemas con una potencia nominal de más de 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 un factor importante en un convertidor electrónico de potencia, las pérdidas generadas por un dispositivo electrónico de potencia deben ser lo más bajas posibles.
Los dispositivos varían en velocidad de conmutación. Algunos diodos y tiristores son adecuados para velocidades relativamente lentas y son útiles para la conmutación y el control de frecuencia de potencia ; ciertos tiristores son útiles a unos pocos kilohercios. Dispositivos como los MOSFET y los BJT pueden conmutar a decenas de kilohercios hasta unos pocos megahercios en aplicaciones de potencia, pero con niveles de potencia decrecientes. Los dispositivos de tubo de vacío dominan las aplicaciones de alta potencia (cientos de kilovatios) a frecuencias muy altas (cientos o miles de megahercios). Los dispositivos de conmutación más rápidos minimizan la energía perdida en las transiciones de encendido a apagado y viceversa, pero pueden crear problemas con la interferencia electromagnética radiada. Los circuitos de control de compuerta (o equivalentes) deben diseñarse para suministrar suficiente corriente de control para lograr la velocidad de conmutación máxima posible con un dispositivo. Un dispositivo sin suficiente control para conmutar rápidamente puede destruirse por exceso de calor.
Los dispositivos prácticos tienen una caída de tensión distinta de cero y disipan potencia cuando están encendidos, y tardan un tiempo en atravesar una región activa hasta que alcanzan el estado de "encendido" o "apagado". Estas pérdidas son una parte importante de la potencia total perdida en un convertidor.
El manejo y la disipación de potencia de los dispositivos también es un factor crítico en el diseño. Los dispositivos electrónicos de potencia pueden tener que disipar decenas o cientos de vatios de calor residual, incluso conmutando 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 refrigeración activos para gestionar su temperatura de unión ; los semiconductores exóticos como el carburo de silicio tienen una ventaja sobre el silicio puro en este sentido, y el germanio, una vez el pilar de la electrónica de estado sólido, ahora se usa poco debido a sus desfavorables propiedades a alta temperatura.
Existen dispositivos semiconductores con valores nominales de hasta unos pocos kilovoltios en un solo dispositivo. Cuando se debe controlar un voltaje muy alto, se deben utilizar varios dispositivos en serie, con redes para igualar 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 general. Las válvulas de mercurio alguna vez estuvieron disponibles con valores nominales de hasta 100 kV en una sola unidad, lo que simplifica su aplicación en sistemas HVDC .
La corriente nominal 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 estar diseñados de modo que la corriente se distribuya uniformemente dentro del dispositivo a través de sus uniones internas (o canales); una vez que se desarrolla un "punto caliente", los efectos de ruptura pueden destruir rápidamente el dispositivo. Algunos SCR están disponibles con corrientes nominales 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 (ASD), sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), sistemas de transmisión de CA flexible (FACTS), compensadores de tensión e inversores fotovoltaicos . Las topologías de estos convertidores se pueden separar en dos categorías distintas: inversores de fuente de tensión e inversores de fuente de corriente. Los inversores de fuente de tensión (VSI) se denominan así porque la salida controlada de forma independiente es una forma de onda de tensión. De manera similar, los inversores de fuente de corriente (CSI) se distinguen en que la salida de CA controlada es una forma de onda de corriente.
La conversión de potencia de CC a CA es el resultado de dispositivos de conmutación de potencia, que suelen ser interruptores de potencia de 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 potencia de CA es adecuada. Cuando se requiere una forma de onda casi sinusoidal, los dispositivos de conmutación se operan mucho más rápido que la frecuencia de salida deseada, y el tiempo que pasan en cada estado se controla para que la salida promedio sea casi sinusoidal. Las técnicas de modulación comunes incluyen la técnica basada en portadora, o modulación por ancho de pulso , la técnica de vector espacial y la técnica de armónicos selectivos. [17]
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 utilizan ampliamente para fuentes de alimentación, UPS monofásicos y topologías elaboradas de alta potencia cuando se utilizan en configuraciones multicelda. Los VSI trifásicos se utilizan en aplicaciones que requieren formas de onda de voltaje sinusoidal, como ASD, UPS y algunos tipos de dispositivos FACTS como el STATCOM . También se utilizan en aplicaciones donde se requieren voltajes arbitrarios, como en el caso de filtros de potencia activos y compensadores de voltaje. [17]
Los inversores de fuente de corriente se utilizan para producir una corriente de salida de CA a partir de una fuente 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, denominada inversores multinivel, ha despertado un interés generalizado. El funcionamiento normal de los CSI y VSI puede clasificarse como inversores de dos niveles, debido a que los interruptores de potencia se conectan al bus de CC positivo o negativo. Si hubiera más de dos niveles de tensión disponibles para los terminales de salida del inversor, la salida de CA podría aproximarse mejor a una onda sinusoidal. Es por esta razón que los inversores multinivel, aunque más complejos y costosos, ofrecen un mayor rendimiento. [18]
Cada tipo de inversor difiere en los enlaces de CC utilizados y en si requieren o no diodos de rueda libre . Ambos pueden funcionar en modo de onda cuadrada o modulación por ancho de pulso (PWM), según el uso previsto. El modo de onda cuadrada ofrece simplicidad, mientras que el PWM se puede implementar de varias maneras diferentes y produce formas de onda de mayor calidad. [17]
Los inversores de fuente de voltaje (VSI) alimentan la sección inversora de salida desde una fuente de voltaje aproximadamente constante. [17]
La calidad deseada de la forma de onda de salida de corriente 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. [17]
Hay tres tipos principales de VSI:
Los inversores de medio puente con fuente de voltaje monofásico están diseñados para aplicaciones de voltaje más bajo y se utilizan comúnmente en fuentes de alimentación. [17] La Figura 9 muestra el esquema del circuito de este inversor.
Los armónicos de corriente de orden bajo se inyectan nuevamente en la fuente de voltaje mediante el funcionamiento del inversor. Esto significa que se necesitan dos capacitores grandes para fines de filtrado en este diseño. [17] Como ilustra la Figura 9, solo un interruptor puede estar encendido a la vez en cada pata del inversor. Si ambos interruptores en una pata estuvieran encendidos al mismo tiempo, la fuente de CC se cortocircuitaría.
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 portadora, 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 , la PWM se convierte en un caso sinusoidal especial de la PWM basada en portadora. [17] Este caso se denomina modulación por ancho de pulso sinusoidal (SPWM). Para esto, el índice de modulación, o relación amplitud-modulación, 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 . [19]
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 orden bajo a partir del funcionamiento del inversor. La amplitud de salida máxima en este modo de funcionamiento es la mitad del voltaje de la fuente. Si la amplitud de salida máxima, ma , excede 3,24, la forma de onda de salida del inversor se convierte en una onda cuadrada. [17]
Como era el caso de la modulación por ancho de pulso (PWM), ambos interruptores de una rama para la modulación de onda cuadrada no se pueden activar al mismo tiempo, ya que esto provocaría un cortocircuito en la fuente de voltaje. El esquema de conmutación requiere que tanto S+ como S− estén activados durante medio ciclo del período de salida de CA. [17] 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. [17]
El uso de la eliminación selectiva de armónicos (SHE) como técnica de modulación permite conmutar el inversor para eliminar de forma selectiva los armónicos intrínsecos. El componente fundamental de la tensión de salida de CA también se puede ajustar dentro de un rango deseable. Dado que la tensión de salida de CA obtenida a partir de esta técnica de modulación tiene simetría de media onda impar y de cuarto de onda impar, no existen armónicos pares. [17] Se pueden eliminar todos los armónicos intrínsecos impares (N-1) no deseados 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. [17] La figura 3 muestra el esquema del circuito del inversor de puente completo de fuente de voltaje monofásico.
Para evitar que se produzca un cortocircuito en la fuente de tensión, 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 el interruptor superior o inferior de cada rama encendido en cualquier momento. Debido a la rama adicional, la amplitud máxima de la forma de onda de salida es Vi, y es el doble de grande que la amplitud de salida máxima alcanzable para la configuración de medio puente. [17]
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 puede tomar solo dos valores, Vi o −Vi. Para generar estos mismos estados utilizando una configuración de medio puente, se puede utilizar una técnica basada en portadora. S+ estando activado para el medio puente corresponde a S1+ y S2− estando activado para el puente completo. De manera similar, S− estando activado para el medio puente corresponde a S1− y S2+ estando activado para el puente completo. El voltaje de salida para esta técnica de modulación es más o menos sinusoidal, con un componente fundamental que tiene una amplitud en la región lineal menor o igual a uno [17] v o1 = v ab1 = v i • 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, el voltaje de salida de 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 = v i • m a .
Los voltajes de fase VaN y VbN son idénticos, pero están desfasados 180 grados entre sí. El voltaje de salida es igual a la diferencia de los voltajes de dos fases y no contiene ningún armónico par. Por lo tanto, si se toma mf, los armónicos de voltaje de salida de CA pares aparecerán en frecuencias impares normalizadas, fh. Estas frecuencias están centradas 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. [17]
Al igual que en 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. [17]
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Los VSI monofásicos se utilizan principalmente para aplicaciones de rango de baja potencia, mientras que los VSI trifásicos cubren aplicaciones de rango de potencia media y alta. [17] 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 esto hace que los voltajes dependan de la polaridad de la corriente de línea respectiva. Los estados 7 y 8 producen voltajes de línea de CA cero, lo que hace 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 consiste en los valores discretos de Vi, 0 o −Vi. [17]
Para la SPWM trifásica, 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 sola señal portadora, la frecuencia portadora normalizada, mf, debe ser un múltiplo de tres. Esto mantiene la magnitud de los voltajes de fase idénticos, pero desfasados entre sí por 120 grados. [17] 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 voltaje de línea alcanzable es V ab1 = v ab • √ 3 / 2
La única forma de controlar el voltaje de carga es cambiando el voltaje de CC de entrada.
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Los inversores de fuente de corriente convierten la corriente continua en una forma de onda de corriente alterna. En aplicaciones que requieren formas de onda de corriente alterna sinusoidal, se deben controlar la magnitud, la frecuencia y la fase. Los inversores de fuente de corriente tienen grandes cambios en la corriente a lo largo del tiempo, por lo que se emplean comúnmente condensadores en el lado de corriente alterna, mientras que los inductores se emplean comúnmente en el lado de corriente continua. [17] 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 inversores de fuente de corriente. [18] Aunque son posibles las topologías monofásicas, los inversores de fuente de corriente trifásica son más prácticos.
En su forma más generalizada, un CSI trifásico emplea la misma secuencia de conducción que un rectificador de seis pulsos. En cualquier momento, solo un interruptor de cátodo común y un interruptor de ánodo común están encendidos. [18]
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 utilizan 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. [17]
Las técnicas basadas en portadoras utilizadas para los VSI también se pueden implementar para los 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 las señales contiene un generador de pulsos de conmutación, un generador de pulsos de cortocircuito, un distribuidor de pulsos de cortocircuito y un combinador de pulsos de conmutación y cortocircuito. Se produce una señal de compuerta basada en una corriente portadora y tres señales moduladoras. [17]
A esta señal se le añade un pulso de cortocircuito cuando no se activan interruptores superiores ni inferiores, lo que hace que las corrientes RMS sean iguales en todas las fases. 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 moduladoras sinusoidales, se dice que el CSI utiliza modulación por ancho de pulso sincronizado (SPWM). Si se utiliza una sobremodulación completa junto con SPWM, se dice que el inversor está en funcionamiento de onda cuadrada. [17]
La segunda categoría de modulación CSI, SHE, también es similar a su contraparte VSI. Al utilizar las señales de compuerta desarrolladas para un VSI y un conjunto de señales de corriente sinusoidales sincronizadas, se obtienen pulsos de cortocircuito distribuidos simétricamente y, por lo tanto, patrones de compuerta simétricos. Esto permite eliminar cualquier número arbitrario de armónicos. [17] También permite controlar 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 de media onda, así como una simetría de aproximadamente 30 grados y 150 grados. Nunca se permiten patrones de conmutación entre 60 grados y 120 grados. La ondulación de la corriente se puede reducir aún más con el uso de condensadores de salida más grandes o aumentando el número de pulsos de conmutación. [18]
La tercera categoría, 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 en función de la transformación de vectores espaciales. Las señales de modulación se representan como un vector complejo mediante una ecuación de transformación. Para señales sinusoidales trifásicas equilibradas, este vector se convierte en un módulo fijo, que gira a una frecuencia ω. Estos vectores espaciales se utilizan luego para aproximar la señal de modulación. Si la señal está entre vectores arbitrarios, los vectores se combinan con los vectores cero I7, I8 o I9. [17] Las siguientes ecuaciones se utilizan para garantizar que las corrientes generadas y los vectores de corriente sean en promedio equivalentes.
Una clase relativamente nueva llamada inversores multinivel ha ganado un interés generalizado. El funcionamiento normal de los CSI y VSI se puede clasificar como inversores de dos niveles porque los interruptores de potencia se conectan al bus de CC positivo o negativo. [18] 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. [17] Por esta razón, los inversores multinivel, aunque más complejos y costosos, ofrecen un mayor rendimiento. [18] En la Figura 10 se muestra un inversor de tres niveles con neutro fijado.
Los métodos de control para un inversor de tres niveles solo permiten que dos de los cuatro interruptores de cada rama cambien simultáneamente los estados de conducción. Esto permite una conmutación suave y evita los picos de voltaje al seleccionar solo estados válidos. [18] 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.
Las técnicas de modulación por portadora y por vector espacial se utilizan para topologías multinivel. Los métodos para estas técnicas siguen los de los inversores clásicos, pero con una complejidad añadida. La modulación por vector espacial ofrece una mayor cantidad de vectores de voltaje fijos para utilizar en la aproximación de la señal de modulación y, por lo tanto, permite lograr estrategias de modulación por ancho de pulsos por vector espacial más efectivas a costa de algoritmos más elaborados. Debido a la complejidad añadida y a la cantidad de dispositivos semiconductores, los inversores multinivel son actualmente más adecuados para aplicaciones de alto voltaje y alta potencia. [18] Esta tecnología reduce los armónicos y, por lo tanto, mejora la eficiencia general del esquema.
La conversión de energía CA a 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. [20] 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. [21] El convertidor CA/CA que no permite al usuario modificar las frecuencias se conoce como controladores de voltaje CA o reguladores CA. Los convertidores CA que permiten al usuario cambiar la frecuencia se denominan simplemente convertidores de frecuencia para la conversión de CA a CA. Dentro de los convertidores de frecuencia hay tres tipos diferentes de convertidores que se utilizan normalmente: cicloconvertidor, convertidor matricial, convertidor de enlace CC (también conocido como convertidor 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 a través de la carga mientras se mantiene una frecuencia constante. [20] Tres métodos de control que son generalmente aceptados son el control de encendido/apagado, el control del ángulo de fase y el control del chopper de CA con modulación de ancho de pulso (control del chopper de CA PWM). [22] Estos tres métodos se pueden implementar no solo en circuitos monofásicos, sino también en circuitos trifásicos.
Convertidores matriciales y cicloconvertidores: Los cicloconvertidores se utilizan ampliamente en la industria para la conversión de CA a CA, ya que pueden utilizarse en aplicaciones de alta potencia. Son convertidores de frecuencia directa conmutada que se sincronizan mediante una línea de alimentación. Las formas de onda de la tensión de salida de los cicloconvertidores tienen armónicos complejos, y los armónicos de orden superior se filtran mediante la inductancia de la máquina. Esto hace 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 este motivo, la potencia de entrada instantánea y la potencia de salida son iguales. [23]
Con los recientes avances en los dispositivos, se están desarrollando nuevas formas de cicloconvertidores, como los convertidores matriciales. El primer cambio que se nota 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. 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, esto provocaría un cortocircuito en las fases de entrada. Los convertidores matriciales son más ligeros, más compactos y versátiles que otras soluciones de conversión. Como resultado, pueden lograr mayores niveles de integración, funcionamiento a mayor temperatura, frecuencia de salida amplia y flujo de energía bidireccional natural adecuado para regenerar energía para la red eléctrica.
Los convertidores matriciales se subdividen en dos tipos: convertidores directos e indirectos. En un convertidor matricial directo con entrada trifásica y salida trifásica, los interruptores de un convertidor matricial deben ser bidireccionales, es decir, deben ser capaces de bloquear voltajes de cualquier polaridad y conducir corriente en cualquier dirección. Esta estrategia de conmutación permite el mayor voltaje de salida posible y reduce la corriente reactiva del lado de la línea. Por lo tanto, el flujo de potencia a través del convertidor es reversible. Debido a su problema de conmutación y control complejo, no se utiliza 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 un modo de rueda libre. Este algoritmo de conmutación es significativamente menos complejo y tiene una mayor confiabilidad en comparación con un convertidor matricial directo convencional. [24]
Convertidores de enlace de CC: Los convertidores de enlace de CC, también conocidos como convertidores CA/CC/CA, convierten una entrada de CA en una salida de CA mediante el uso de un enlace de CC en el medio. Esto significa que la potencia en el convertidor se convierte de CA a CC mediante el uso de un rectificador y luego se convierte nuevamente de CC a CA mediante el uso de un inversor. El resultado final es una salida con un voltaje más bajo y una frecuencia variable (más alta o más baja). [22] Debido a su amplia área de aplicación, los convertidores CA/CC/CA 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, y que pueden desconectarse de una carga sin sufrir daños. [25]
Convertidor de matriz híbrido: Los convertidores de matriz híbridos son relativamente nuevos para los convertidores CA/CA. Estos convertidores combinan el diseño CA/CC/CA con el diseño de convertidor de matriz. Se han desarrollado múltiples tipos de convertidores híbridos en esta nueva categoría, un ejemplo es un convertidor que utiliza interruptores unidireccionales y dos etapas de conversión sin el enlace de CC; sin los condensadores o inductores necesarios para un enlace de CC, el peso y el tamaño del convertidor se reducen. 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. [26] [27]
Aplicaciones: A continuación se muestra una lista de aplicaciones comunes en las que se utiliza cada convertidor.
Los circuitos electrónicos de potencia se simulan mediante programas de simulación por ordenador como SIMBA, PLECS , PSIM , SPICE , MATLAB /simulink y OpenModelica . Los circuitos se simulan antes de su producción para comprobar cómo responden en determinadas condiciones. Además, crear una simulación es más barato y rápido que crear un prototipo para utilizarlo en pruebas. [28]
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 batería, amplificadores de audio, balastos de lámparas fluorescentes , pasando por variadores de frecuencia y variadores de motores de CC utilizados para operar bombas, ventiladores y maquinaria de fabricación, hasta sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje a escala de gigavatios utilizados para interconectar redes eléctricas. [29] Los sistemas electrónicos de potencia se encuentran en prácticamente todos los dispositivos electrónicos. Por ejemplo:
Los accionamientos de motor se encuentran en bombas, sopladores y accionamientos de molinos para instalaciones textiles, papeleras, cementeras y otras similares. Los accionamientos se pueden utilizar para la conversión de energía y para el control de movimiento. [30] En el caso de los motores de CA, las aplicaciones incluyen accionamientos de frecuencia variable , arrancadores suaves de motor y sistemas de excitación. [31]
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 de CC/CC para cargar la batería y convertidores de 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 por ancho de pulso (PWM). Los trenes obtienen su energía de las líneas eléctricas. Otro nuevo uso de la electrónica de potencia es en 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. [32]
En general, los inversores se utilizan en aplicaciones que requieren la conversión directa de energía eléctrica de CC a CA o la conversión indirecta de CA a CA. La conversión de CC a CA es útil para muchos campos, incluidos el acondicionamiento de energía, la compensación de armónicos, los controladores de motores, la integración de la red 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. En función de las corrientes y voltajes de línea medidos, un sistema de control determina 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 compensan el contenido armónico. Esta configuración no requiere un consumo de energía real, ya que se alimenta completamente de la línea; el enlace de CC es simplemente un capacitor que el sistema de control mantiene a un voltaje constante. [17] 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 adelantan los voltajes de línea para mejorar el factor de potencia general. [18]
En instalaciones que requieren energía en todo momento, como hospitales y aeropuertos, se utilizan sistemas UPS. En un sistema de reserva, un inversor se conecta en línea cuando se interrumpe la red que normalmente suministra energía. La energía se extrae instantáneamente de las baterías del sitio y se convierte en voltaje CA utilizable por el VSI, hasta que se restablece la energía de la red o hasta que se conectan los generadores de respaldo. En un sistema UPS en línea, se utiliza un rectificador-enlace de CC-inversor para proteger la carga de transitorios y contenido armónico. Una batería en paralelo con el enlace de CC se mantiene completamente cargada por la salida en caso de que se interrumpa la energía 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 las perturbaciones. [17]
Se han desarrollado varios variadores de velocidad, par y posición para motores de CA. Estos variadores se pueden clasificar como de bajo rendimiento o de alto rendimiento, en función de si están controlados 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 en las que no se requiere un control de alta calidad, como ventiladores y compresores. Por otro lado, los variadores controlados por vector permiten controlar continuamente valores instantáneos de corriente y voltaje. Este alto rendimiento es necesario para aplicaciones como ascensores y automóviles eléctricos. [17]
Los inversores también son vitales para muchas aplicaciones de energía renovable. En aplicaciones fotovoltaicas, el inversor, que suele ser un inversor de modulación por ancho de pulsos (PWM) VSI, se alimenta de la salida de energía eléctrica de CC de un módulo o conjunto fotovoltaico. El inversor luego convierte esto en un voltaje de CA para interconectarlo con una carga o la red eléctrica. Los inversores también se pueden utilizar en otros sistemas renovables, como las turbinas eólicas. En estas aplicaciones, la velocidad de la turbina suele variar, lo que provoca 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. [17]
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 manera automatizada para mejorar la eficiencia, la confiabilidad, la economía y la sostenibilidad de la producción y distribución de electricidad. [33] [34]
La energía eléctrica generada por turbinas eólicas y turbinas hidroeléctricas mediante el uso de generadores de inducción puede provocar variaciones en la frecuencia a 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 es 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 factor de potencia asociado más alto. El par óptimo de los sistemas de energía eólica se obtiene a través de una caja de cambios o tecnologías de transmisión directa que pueden reducir el tamaño del dispositivo electrónico de potencia. [35]
La energía eléctrica se puede generar a través de células fotovoltaicas utilizando dispositivos electrónicos de potencia. La energía producida generalmente se transforma luego mediante inversores solares . Los inversores se dividen en tres tipos diferentes: centrales, integrados en módulos y de cadena. Los convertidores centrales se pueden conectar en paralelo o en serie en el lado de CC del sistema. Para las "granjas" fotovoltaicas, se utiliza un solo convertidor central para todo el sistema. Los convertidores integrados en módulos se conectan en serie en el lado de CC o CA. Normalmente se utilizan varios módulos dentro de un sistema fotovoltaico, ya que el sistema requiere estos convertidores en terminales de CC y CA. Un convertidor de cadena se utiliza en un sistema que utiliza células fotovoltaicas que están orientadas en diferentes direcciones. Se utiliza para convertir la energía generada en cada cadena o línea en la que interactúan las células fotovoltaicas. [35]
La electrónica de potencia puede utilizarse para ayudar a las empresas de servicios públicos a adaptarse al rápido aumento de la generación de energía solar distribuida residencial/comercial . Alemania y partes de Hawái, California y Nueva Jersey requieren que se realicen estudios costosos antes de aprobar nuevas instalaciones solares. Los dispositivos montados en tierra o en postes de escala relativamente pequeña crean el potencial para una infraestructura de control distribuida para monitorear y administrar el flujo de energía. Los sistemas electromecánicos tradicionales, como los bancos de condensadores o los reguladores de voltaje en las subestaciones , pueden tardar minutos en ajustar el voltaje y pueden estar lejos de las instalaciones solares donde se originan los problemas. Si el voltaje en un circuito del vecindario es demasiado alto, puede poner en peligro a los equipos de la empresa de servicios públicos y causar daños tanto a los equipos de la empresa 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. [36]
En otro enfoque, un grupo de 16 empresas de servicios públicos occidentales, denominado Western Electric Industry Leaders, pidió el uso obligatorio de "inversores inteligentes". Estos dispositivos convierten la corriente continua en corriente alterna doméstica y también pueden ayudar a mejorar la calidad de la energía. Dichos dispositivos podrían eliminar la necesidad de costosas actualizaciones de los equipos de las empresas de servicios públicos a un costo total mucho menor. [36]
la energía en una amplia gama de sistemas, desde dispositivos de información portátiles hasta la infraestructura de comunicaciones que permite Internet. Los MOSFET de potencia de la empresa (pequeños interruptores de estado sólido o transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico) y los circuitos integrados de potencia se utilizan ampliamente en teléfonos móviles y ordenadores portátiles para gestionar la energía de la batería de forma eficiente.
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