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Capýtulo 2:

 Electrónica de potencia. Antecedentes

Antecedentes

La electrónica de potencia puede contribuir al ahorro energético mediante la optimización del consumo tanto en la industria como en servicios y en viviendas. La regulación de la velocidad de los motores eléctricos es una de las aplicaciones más utilizadas de la electrónica de potencia, habiendo superado el estricto marco industrial y habiendo llegado actualmente a los equipos de aire acondicionado, lavadoras y ascensores.

La electrónica de potencia es también la tecnología clave para poder poner en marcha todos los recursos de energías renovables, como son la eólica y la fotovoltaica, junto con los nuevos sistemas de almacenamiento de energía, como pueden ser las pilas de combustible, baterías, súper condensadores, volantes de inercia y bobinas superconductoras. En el campo de la movilidad, la electrónica de potencia es la tecnología base del coche eléctrico y está aportando grandes innovaciones a los transportes ferroviarios, que deben experimentar un gran desarrollo futuro. Procesar inteligentemente la energía en los sistemas de potencia constituye una de las aplicaciones que ofrecen mayor posibilidades.

Donde se hace mas patente la gran importancia actual de la electrónica de potencia es en el ahorro de energía de los equipos eléctricos mediante un uso más eficiente de la electricidad. Se estima que aproximadamente se puede ahorrar entre un 15% y un 20% del consumo eléctrico mediante una aplicación extensiva de la electrónica de potencia. Aproximadamente del 60% al 65% de la electricidad generada es consumida por motores eléctricos y la mayoría de estos accionan bombas y ventiladores. De nuevo la eficiencia energética de la mayoría de estas bombas y ventiladores puede beneficiarse del control a velocidad variable. Tradicionalmente, la variación de flujo de los flujos impulsados por estos equipos se consigue mediante válvulas obturadoras, mientras que los motores de inducción siguen girando a su velocidad fija nominal. Se puede demostrar que el funcionamiento de los motores y válvulas totalmente abiertas con velocidad variable puede ahorrar hasta el 30% de energía en condiciones de carga ligera. El funcionamiento de los motores de inducción con poca carga, se puede optimizar haciéndole trabajar a flujo de excitación magnética reducido, con lo que se consiguen ahorros del 20%. Como el precio de la electrónica de potencia sigue disminuyendo, es posible instalar arrancadores de frecuencia variable en la alimentación de motores aunque sea en aplicaciones de velocidad constante, permitiendo programar el control del flujo de excitación del motor, con el consecuente ahorro de energía.

Se estima que el 20% de energía generada se consume en la iluminación. Las lámparas fluorescentes tienen un rendimiento energético tres veces más elevado que las de incandescencia. La utilización de las reactancias de electrónica de potencia de elevadas frecuencias puede mejorar este rendimiento todavía en un 20% adicional. La comercialización a gran escala de las nuevas fuentes de luz de altísimo rendimiento como son los LED de luz blanca necesitará la incorporación de la electrónica de potencia.

El actual progreso de la electrónica de potencia ha sido posible principalmente gracias a los avances en los dispositivos semiconductores de potencia junto con las nuevas propuestas de topologías de convertidores de modulación PWM, modelos analíticos, métodos de simulación, algoritmos de control y estimulación, microcontroladores y DSP, circuitos integrados ASIC, etc. Aunque históricamente la electrónica de potencia empezó en el año 1901  con la disponibilidad de la válvula rectificadora de arco de mercurio, no fue hasta la aparición del tiristor en los años 50 cuando empezó la era moderna de la electrónica de potencia de estado sólido. Gradualmente fueron apareciendo otros componentes semiconductores de potencia que se beneficiaron de los avances de la microelectrónica. Esta evolución de los componentes, unida a la evolución de los convertidores estáticos y del control, ha sido muy espectacular en la última década del siglo XX, llevando al a electrónica de potencia a su actual estado de madurez, que la convierte en una tecnología estratégica para el futuro de la humanidad.

El tiristor, que fue el componente que domino la primera generación de la electrónica de potencia, actualmente sigue siendo indispensable en la aplicaciones de gran potencia y baja frecuencia, como son los rectificadores de la corriente de la red alterna, interruptores estáticos, compensadores estáticos de energía reactiva por control de fase, onduladores autoconmutados para motores síncronos de muy elevadas potencias, baños galvanicos, procesos electrolíticos y sistemas de transmisión de energía eléctrica en alta tensión continua HVDC. Para aplicaciones de alta potencia y tensión se dispone actualmente de tiristores activados por la luz LTT de 8kV y 3,5kV con caídas directas de tensión de 2,7 a 3,5kV. Como las órdenes del disparo se envían en forma de luz por fibra óptica, se dispone de suficiente aislamiento como para utilizarlo en aplicaciones de 259kV.

Durante muchos años fueron muy populares los circuitos de conmutación forzada de los tiristores, que dejaron de usarse con la aparición del tiristor GTO (tiristor conmutado por la compuerta), el primer interruptor de potencia que se podía controlar tanto al cerrar como al abrir. En la actualidad se fabrican solamente GTO para aplicaciones de muy alta tensión y potencia, 6kV, 6KA, y están en desarrollo GTO de 9KV y 12kV.

La necesidad de complejos circuitos de puerta y de ayuda a la conmutación (snubbers) y las bajas frecuencias a las que se puede conmutar del orden de 500 Hz, hacen que el GTO quede relegado a aplicaciones de muy alta tensión, como pueden ser la tracción y los sistemas eléctricos de potencia. La disponibilidad de los modernos IGBT de alta tensión hace que el GTO haya perdido alguno de sus campos de aplicación tanto en tracción como en grandes convertidores de frecuencia industriales y también en la red eléctrica de alta tensión.

Desarrollo del proyecto

Una central de generación es una instalación completa la cual tiene el objetivo de producir energía eléctrica, en base a una transformación de la energía.

Electrónica de potencia. Antecedentes

Figura 3.- Transformaciones de energía en una central de generación.

La energía eléctrica se produce como resultado de una serie de transformaciones de energía (figura 3).Estas transformaciones de energía se realizan precisamente dentro de la central. La central debe constar con alguna forma de energía disponible a partir de la cual se inician todas las transformaciones necesarias hasta llegar finalmente a la energía eléctrica.

En la actualidad la electricidad se puede producir a partir de diversos medios energéticos primarios (carbón, petróleo, gas natural, fisión nuclear, etc.) y tomando el principio de que para generar electricidad basta contener un campo magnético, de una bobina y de energía mecánica suficiente como para hacerla girar.

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