Ra@l /ntonio )eal Aende# Departamento de Ingeniería y Arquitect Arquitectura, ura, Universidad Universidad de Pamplona Extensión Extensión Villa Villa Del Del Rosario Villa del Rosario !orte de "antander # $olom%ia
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)a Electrónica de 0otencia
– La electrónica de potencia es una rama de la Ingeniería Eléctrica que se enfoca principalmente en la conversión y control de la energía eléctrica para diferentes aplicaciones tales como el control de alumbrado, procesos electroquímicos, suministros de energía regulada de CD y C, soldadoras eléctricas, filtrado activo, compensación de !"#s, control del movimiento de m$quinas eléctricas y otras m$s% Los sistemas de suministro eléctrico generan, tran transm smit iten en y dist distri ribuy buyen en la ener energí gíaa eléc eléctr tric icaa a una una frecuencia fi&a '() o *) +- y tratan de mantener un volta&e fi&o en las terminales de los consumidores% consumidores%
Resumen
.o/er .o/er electr electroni onics cs is a branc0 branc0 of Electr Electrica icall Engineering t0at focuses primarily on t0e conversion and control of electrical energy for different applications suc0 as lig0ting lig0ting control, control, electroc electroc0emic 0emical al processes processes,, regulate regulated d DC and C po/er po/er suppli supplies, es, electr electric ic /elder /elders, s, filter filtering ing ctive, !"1s compensation, control of t0e movement of electr electric ic mac0in mac0ines es and ot0er ot0ers% s% Elect Electric ric po/er po/er system systemss generate, transmit and distribute electrical energy at a fi2ed frequency '() or *) +- and try to maintain a fi2ed voltage at t0e consumer terminals%
Abstract -
I.
INTRODUCCIÓN
En el presente texto nos enfocaremos en dar relevancia a la elec electr trón ónic icaa de pote potenc ncia ia,, dand dandoo a cono conoce cerr s !ran !ran importancia " necesidad en los sistemas tili#ados $o" en d%a dado &e, cada ve# son m's los dispositivos " sistemas &e en n naa o vari varias as de ss ss etap etapas as son son acci acciona onado doss po porr ener ener!% !%aa el(ctr el(ctrica ica.. )os accion accionam amien ientos tos con consis sisten ten,, en !en !enera eral, l, en procesos &e transforman la ener!%a el(ctrica en otro tipo de ener!%a, o en el mismo tipo, pero con diferentes caracter%sticas. caracter%sticas. )os encar!ados de reali#ar dic$os procesos son los sistemas de potencia. Un e&ipo electrónico consta fndamentalmente de dos partes, tales como* •
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Un circito se potencia, compesto de semicond semicondctore ctoress de potencia potencia " elemento elementoss pasivos, pasivos, &e li!a la fente primaria de alimentación con la car!a. Un circito de mando, &e ela+ora la información proporcionada por el circito de potencia " !enera n nas as sea seale less de exci excita taci ción ón & &ee dete determ rmin inan an la condcción de los semicondctores controlados con na fase " secencia conveniente.
II.
-ITORI/ DE )/ )/ E)ECTRONIC/ DE 0OTENCI/
)a electrónica de potencia potencia tiene ss inicios inicios en el ao 1233, 123 3, con la introd introdcc cción ión del rectif rectifica icador dor de arco arco de merc mercr rio io.. )e! )e!oo apar aparec ecie iero ron, n, !rad !rada alm lmen ente te,, el rectificador de tan&e met'lico, el rectificador de t+o al alto vac%o de re4illa controlada, el i!nitrón, el fanotrón " el tiratrón. Estos se aplicaron al control de la ener!%a $asta la d(cada de 1253. E4emplo de n Tiratrón se mestra en la fi!ra I. En 1267 se inicia la primera revolción electrónica con la invenc invención ión del transist transistor or de silici silicioo en los 8ell Telep$one )a+oratories por los seores 8ardeen, 8rattain " c$oc9le". Otros de los !randes inventos fe la del transistor de disparo pnp, &e se definio como tiristor o recticador controlado de silicio :CR por ss si!las en in!l(s;. )a se!nda revolción electrónica fe en 1257 con el desarr desarroll olloo del tiris tiristor tor comer comercia ciall por
/0)I /0)IC/ C/CI CION ONE E DE )/ E)EC E)ECTR TRÓN ÓNIIC/ DE 0OTENCI/
Drante mc$os aos $a existido la necesidad de contro con trolar lar la potenc potencia ia elect electrón rónic icaa de los sistem sistemas as de tracción " de los controles indstriales implsados por motores el(ctricos= esto $a llevado n temprano desarrollo del sistema >ard?)eonard con el o+4etivo de o+tener n volta4e de corriente directa varia+le para el control de los motores e implsadores. )a electrónica de potencia $a revolcionado la idea del control para la conversión de potencia " para el control de los los motores electrónicos. electrónicos. )a electróni electrónica ca de potencia potencia com+ina la ener!%a, ener!%a, la electrónica, " el control. El control se encar!a del r(!imen permanente " de las caracter%sticas caracter%sticas din'micas de los sistemas de la#o cerrado. )a ener!%a tiene &e ver con el e&i e&ipo po de ener ener!% !%aa de po pote tenc ncia ia est' est'ti tica ca " rota rotati tiva va o !iratoria, para la !eneración, transmisión " distri+ción de ener ener!% !%aa el(c el(ctr tric ica. a. )a elec electr trón ónic icaa se ocpa ocpa de los los dispositivos " circitos de estado sólidos re&eridos en el procesamiento de seales para cmplir con los o+4etivos de control deseados. )a electrónica de potencia se pede
definir como la aplicación de electrónica de estado sólidos para el control " la conversión de la ener!%a el(ctrica. )a electrónica de potencia se +asa, en primer t(rmino, en la conmtación de dispositivos semicondctores de potencia. Con el desarrollo de la tecnolo!%a de los semicondctores de potencia, las capacidades del mane4o de la ener!%a " la velocidad de conmtación de los dispositivos de potencia se $an elevado. El desarrollo de la tecnolo!%a de los microprocesadores? microcomptadoras tiene n !ran impacto so+re el control " la s%ntesis de la estrate!ia de control para los dispositivos semicondctores de potencia. El e&ipo de electrónica de potencia moderno tili#a emicondctores de potencia, &e peden compararse con el msclo, " microelectrónico, &e tiene el poder " la inteli!encia del cere+ro.
de recperación nanose!ndos. •
%&
DI0OITIBO DE E)ECTRÓNIC/ DE 0OTENCI/ B. )os dispositivos semicondctores tili#ados en Electrónica de 0otencia se peden clasificar en tres !randes !rpos, de acerdo con s !rado de controla+ilidad*
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•
de
pocos
Diodos rectificadores o de frecuencia de línea3 )a tensión en el estado de condcción :ON; de estos diodos es la m's pe&ea posi+le, " como consecencia tienen n trr !rande, el cal es @nicamente acepta+le en aplicaciones de la frecencia de l%nea. Estos diodos son capaces de +lo&ear varios 9ilovoltios " condcir varios 9iloamperios. e peden conectar en serie "Fo paralelo para satisfacer cal&ier ran!o de tensión o de corriente Dispositivos semicontrolados
Dispositivos no controlados'
en este !rpo se encentran los Diodos. )os estados de condcción o cierre :ON; " +lo&eo o a+ertra :O; dependen del circito de potencia. 0or tanto, estos dispositivos no disponen de nin!@n terminal de control externo.
:trr;
en este !rpo se encentran, dentro de la familia de los Tiristores, los CR :Gilicon Controlled RectifierH; " los TRI/C :GTriode of /lternatin! CrrentH;. En (ste caso s pesta en condcción :paso de O a ON; se de+e a na seal de control externa &e se aplica en no de los terminales del dispositivo, com@nmente denominado perta. 0or otro lado, s +lo&eo :paso de ON a O; lo determina el propio circito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la pesta en condcción, pero no as% del +lo&eo del dispositivo.
IB.
a&
inversas
Diodo de .otencia3 Un diodo semicondctor es na estrctra 0?N &e, dentro de ss l%mites de tensión " corriente, permite la circlación de corriente en n @nico sentido. Detalles de fncionamiento, !eneralmente despreciados para los diodos de seal, peden ser si!nificativos para componentes de ma"or potencia, caracteri#ados por n 'rea ma"or :para permitir ma"ores corrientes; " ma"or lon!itd :para soportar tensiones inversas m's elevadas;, a continación, se mencionar'n los diodos de potencia. Diodos 4c0ott5y3 e tili#an cando se necesita na ca%da de tensión directa m" pe&ea :3, B t%picos; para circitos con tensiones redcidas de salida. No soportan Dispositivos de Electrónica de 0otencia tensiones inversas speriores a 53 133 B. Diodos de recuperación r$pida* on adecados en circitos de frecencia elevada en com+inación con interrptores controla+les, donde se necesitan tiempos de recperación pe&eos. 0ara nos niveles de potencia de varios cientos de voltios " varios cientos de amperios, estos diodos poseen n tiempo
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6iristores3 El nom+re de Tiristor proviene de la pala+ra !rie!a GJKLMH, &e si!nifica Gna pertaH. El tiristor en!lo+a na familia de dispositivos semicondctores &e tra+a4an en conmtación, teniendo en com@n na estrctra de catro capas semicondctoras en na secencia 0?N?0?N, la cal presenta n fncionamiento +iesta+le :dos estados esta+les;. )a conmtación desde el estado de +lo&eo :GOH; al estado de condcción :GONH; se reali#a normalmente por na seal de control externa. )a conmtación desde el estado GONH al estado GOH se prodce cando la corriente por el tiristor es m's pe&ea &e n determinado valor, denominada corriente de mantenimiento, :G$oldin! crrentH;, espec%fica para cada tiristor. Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los CRs :tiristores nidireccionales; " TRI/Cs :tiristores +idireccionales;. 4C"3 :Rectificador Controlado de ilicio; De las si!las en in!l(s Gilicon Controlled RectifierH, es el miem+ro m's conocido de la familia de los tiristores. En !eneral " por a+so del len!a4e es m's frecente $a+lar de tiristor &e de CR. El CR es no de los dispositivos m's anti!os &e se conocen dentro de la Electrónica de 0otencia :data de finales de los aos 53;. /dem's, contin@a siendo el dispositivo &e tiene ma"or capacidad para controlar potencia :es el dispositivo &e permite soportar ma"ores tensiones inversas entre ss terminales " ma"or circlación de corriente;.
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6"IC3 :GTriode of /lternatin! CrrentH; es n tiristor +idireccional de tres terminales. 0ermite el paso de corriente del terminal /1 al / " viceversa, " pede ser disparado con tensiones de perta de am+os si!nos. Cando se tra+a4a con corriente alterna, es interesante poder controlar los dos sentidos de circlación de la corriente. Evidentemente, con n CR, sólo podemos controlar el paso de corriente en n sentido. 0or tanto, no de los motivos por el cal los fa+ricantes de semicondctores $an diseado el TRI/C $a sido para evitar este inconveniente. El primer TRI/C fe inventado a finales de los aos 3. implificando s fncionamiento, podemos decir &e n TRI/C se comporta como dos CR en antiparalelo :tiristor +idireccional;. De esta forma, tenemos control en am+os sentidos de la circlación de corriente 7683 :G
c; Dispositivos totalmente controlados* en este !rpo encontramos los transistores +ipolares 8PT :G8ipolar Pnction TransistorH;, los transistores de efecto de campo AOET :GAetal Oxide emicondctor ield Effect TransistorH;, los transistores +ipolares de perta aislada I<8T :GInslated
6ransistores3 En Electrónica de 0otencia los transistores !eneralmente son tili#ados como interrptores. )os circitos de excitación :disparo; de los transistores se disean para &e (stos tra+a4en en la #ona de satración :condcción; o en la #ona de corte :+lo&eo;. Esto difiere de lo &e ocrre con otras aplicaciones de los transistores, como, por
e4emplo, n circito amplificador, en el &e el transistor tra+a4a en la #ona activa o lineal. )os transistores tienen la venta4a de &e son totalmente controlados, mientras &e, por e4emplo, el CR o el TRI/C sólo dispone de control de la pesta en condcción. )os tipos de transistores tili#ados en los circitos electrónicos de potencia incl"en los transistores 8PT, los AOET " dispositivos $%+ridos, como, por e4emplo, los transistores de nión +ipolar de perta aislada :I<8T;. / continación, veremos cada no de ellos* •
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6ransistor 9ipolar de .otencia '69.- :$s conocidos como 9;6s3 :G8ipolar Pnction TransistorsH;, +'sicamente se trata de interrptores de potencia controlados por corriente. Como el lector recordar' existen dos tipos fndamentales, los GnpnH " los GpnpH, si +ien en Electrónica de 0otencia los m's sales " tili#ados son los primeros. :84
COA0/R/CIÓN DE 0RET/CIONE ENTRE )O DIERENTE DI0OITIBO DE E)ECTRÓNIC/ DE 0OTENCI/
/ continación, se presenta na ta+la con las prestaciones de los dispositivos de potencia m's tili#ados, $aciendo especial $incapi( en los l%mites de tensión, corriente " frecencia de tra+a4o. DI4.84I6I!84 Diodos Tiristores
6E=4I>= Q 13 B Q 333 B Q 333 B Q 1333 B Q 1333 B
C8""IE=6E Q 5333 / Q 5333 / Q 333 / Q 5 / Q 133 /
<"EC?E=CI Q 13 A-# Q 533 -# Q 533 -# Q 533 -# Q 1 A-#
8PT I<8T
Q 133 B Q 333 B
Q S33 / Q 533 /
Q 5 -# Q S5 -#
6abla @. 0restaciones. •
"egiones de ?tiliación3 en fnción de las caracter%sticas de cada dispositivo, se sele tra+a4ar en distintas #onas, parametri#adas por la tensión, la corriente " la frecencia de tra+a4o. Una clasificación calitativa se presenta en la si!iente ta+la*
DI4.84I6I!8 Tiristores
.86E=CI /lta /lta 8a4a 8a4a Aedia Aedia ? /lta
<"EC?E=CI 8a4a 8a4a 8a4a /lta Aedia Aedia
BII.
6abla A% onas de operación de los dispositivos. 0or otro lado, la fi!ra 1 mestra n !r'fico &e compara las capacidades de tensión, corriente " frecencia de los componentes controla+les.
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CONC)UIONE
)a electrónica de potencia es n campo m" importante de la ener!%a el(ctrica "a &e, nos a"da a avan#ar en los m(todos de arran&es de m'&inas el(ctricas mediante dispositivos como el variador de velocidad, el cal se inventó tiempo desp(s de $a+erse desc+ierto la electrónica de potencia, "a &e es n dispositivo &e nos permite variar las frecencias a tili#ar, esto no se pod%a $a+er lo!rado sin la implementación de los dispositivos de electrónica de potencia. )os componentes electrónicos $an venido evolcionando a trav(s del tiempo &e cada d%a, m's pe&eos " comple4os son los circitos el(ctricos, esto se de+e a &e los componentes son ela+orados con la finalidad de reali#ar diversas tareas dentro del circito en el caso de los circitos inte!rados s desarrollo $a revolcionado los campos de las comnicaciones, la !estión de la información " la inform'tica. )os circitos inte!rados $an permitido redcir el tamao de los dispositivos con el consi!iente descenso de los costes de fa+ricación " de mantenimiento de los sistemas UENTE
figura @% Comparativa de los dispositivos de potencia. 0or @ltimo, la fi!ra mestra al!nas posi+les aplicaciones de los distintos dispositivos de electrónica de potencia.
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A$ammad $. ras$id,, Electrónica de potencia, 0$.D.,ello IEE G0oer Electronics* Converters, /pplications and Desi!nH, Ao$an, Undeland " Ro++ins, Po$n >ile" V ons, W Ed, Neva Xor9, 1225. GEletrónica de 0otYnciaH, P. /. 0omilio, Universidade Estadal de Campinas, 0 ? 8rasil. GElectrónica de 0otenciaH, D. >. -art, Balpara%so Universit", Balpara%so Indiana. 0rentice -all.
