Electrónica de potencia

Electrónica de PotenciaPrincipios Fundamentalesy Estructuras Básicas

Eduard Ballester - Robert Piqué

Electrónica de Potencia

Principios Fundamentales y

Estructuras Básicas

Eduard Ballester - Robert Piqué

Universitat Politècnica de Catalunya

Departament d’Enginyeria Electrònica

Escola Industrial de Barcelona

Grupo de Electrónica de Potencia y Accionamientos Eléctricos

PERC-Power Electronics Research Center

Electrónica de Potencia

Primera edición, 2011

© 2011 Eduard Ballester - Robert Piqué

© 2011 MARCOMBO, S.A.

Gran Via de les Corts Catalanes, 594

08007 Barcelona

www.marcombo.com

Diseño y maquetación: Pol Creuheras Borda - Paende

Diseño de la cubierta: NDENU DISSENY

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ISBN: 978-84-267-1873-0

D.L.: BI-63-2011

Impreso en Gráficas Díaz Tuduri

Printed in Spain

Este libro está dedicado a sus lectores en general,

y a Anna, Laura y Maria en particular, que,

aunque no sean lectoras del mismo, son nuestras hijas

Prefacio

La Electrónica de Potencia trata de la conversión estática de energía eléctrica priorizando el rendimiento de la conversión.

Hasta hace poco esta disciplina no estaba implícitamente incluida en los planes de estudio de Ingeniería, ya que formaba parte de la denominada Electrónica Industrial, dividida, a su vez, en Electrónica de Señal o de Procesado de Información, como la Electrónica Digital y la Electrónica Analógica, y en Electrónica de Potencia. No es hasta la década de los 90 que los planes de estudio reformados de la rama de Ingeniería Industrial introducen la Electrónica de Potencia como una disciplina con entidad propia y diferenciada de las “otras electrónicas”.

Este es un texto que pretende, únicamente, ser una ayuda en el aprendizaje de la Electrónica de Potencia en una etapa formativa inicial. Por ello se ha estructurado en tres partes bien diferenciadas:

 Introducción: en la que se asientan los aspectos conceptuales de la Electrónica de Potencia que deben permitir el seguimiento de aspectos más avanzados. Se desliga esta disciplina de la antigua electrónica de corrientes fuertes y se aproxima a la electrónica de conversión eficiente de energía eléctrica.

 Segunda parte: dedicada a las estructuras de conversión estática más utilizadas, que se analizan de acuerdo con su clasificación convencional: CC-CC, CC-CA, CA-CC y CA-CA.

 Última parte: muy somera, en la que se asientan los principios básicos del control convencional de convertidores en lazo cerrado.

En cualquier caso se ha pretendido una aproximación práctica a los aspectos teóricos desarrollados en el texto mediante la utilización del simulador PSIM^®.

Los autores pensamos que los contenidos de este texto están adecuados al aprendizaje de los mismos en una asignatura de 6 créditos ECTS, como las muchas que existen en las nuevas titulaciones de grado, de acuerdo a las directrices de Bolonia. Ésta ha sido la intención inicial en el desarrollo de esta obra. Nuestra satisfacción será grande si se cumplen estos pronósticos. Y mayor aún si algunos de los lectores de este texto se animan a seguir profundizando estudios en una disciplina tan apasionante.

La editorial Marcombo pone a disposición de los estudiantes y docentes que utilicen este texto un blog dedicado al libro y a la electrónica de potencia para el intercambio de información sobre contenidos, metodologías, programación de actividades y otro material didáctico en consonancia con los temas desarrollados y con los ejercicios propuestos en el texto. Dicho blog lo podrán encontrar en el apartado de blogs de la web www.llibreriaha.com.

La satisfacción de los autores será completa si este texto resulta útil para la adquisición de conocimientos en Electrónica de Potencia. Esta ha sido la idea inicial y sería un fracaso que no fuese así.

Eduard Ballester - Robert Piqué

Barcelona, marzo de 2010

Prólogo

La Electrónica de Potencia es una disciplina que estudia, esencialmente, los dispositivos, circuitos y sistemas que se encargan de modificar el formato de la energía eléctrica, para adaptarlo desde su forma original a las necesidades de diferentes tipos de cargas. Es importante recalcar que el presente texto aparece en un momento en el que esta disciplina adquiere un protagonismo muy relevante en la formación de los futuros ingenieros eléctricos y electrónicos. Como el resto de las disciplinas electrónicas, la Electrónica de Potencia ha seguido un desarrollo continuado desde los años cincuenta hasta nuestros días, marcado inicialmente por la aparición del tiristor y en la actualidad por el gran desarrollo de diversos dispositivos de puerta aislada.

Sin embargo, en pocos momentos de la historia de la electrónica ha sido tan reconocida su importancia como en la actualidad. Este protagonismo se manifiesta en ámbitos muy variados, que van desde el doméstico hasta el industrial. Así, hoy en día es fácil encontrar en un domicilio estándar decenas de circuitos electrónicos de potencia, que van desde las fuentes conmutadas, omnipresentes en todo tipo de productos electrónicos de consumo (receptores de TV, DVDs, equipos de música, ordenadores, cargadores de baterías de teléfonos móviles, etc.) hasta los pequeños inversores incorporados a las llamadas “bombillas de bajo consumo” o los controladores que permiten variar la velocidad de un taladrador o la intensidad luminosa de una lámpara halógena. Está claro que la Electrónica de Potencia para aplicaciones comprendidas entre unos pocos vatios y un kilovatio ha penetrado en el hogar del ciudadano medio. A su vez, este ciudadano medio está, a día de hoy, preocupado por asuntos que relacionan su calidad de vida con la energía y el medio ambiente. Al decir energía nos referimos, en gran medida, a la energía eléctrica, que es el tipo de energía que mueve los motores de las fábricas, ilumina ciudades y hogares y transporta una parte importante de los productos que consumimos. La Electrónica de Potencia juega un papel muy relevante en la gestión eficiente de esta energía, ya que frecuentemente hay que adaptarla o dosificarla convenientemente antes de que pueda ser usada, siendo circuitos electrónicos de potencia los encargados de efectuar tal misión. La generalización del uso de buenos convertidores electrónicos de potencia (eficientes, versátiles y rápidos) es una buena medida de ahorro energético.

En la actualidad, sin embargo, hay otros importantes factores que hacen de la Electrónica de Potencia una disciplina crucial para poder compatibilizar la calidad de vida de las sociedades desarrolladas con un menor consumo de combustibles fósiles. En particular, muchas de las potenciales fuentes de energía completamente desligadas de la quema de combustibles fósiles entregan energía en formatos muy variables en el tiempo, de forma que su adaptación a las cargas habituales requiere el concurso ineludible de convertidores electrónicos de potencia. La energía eléctrica obtenida del viento, del sol (por vía fotovoltaica) y del movimiento de masas de agua marina son claros ejemplos de esto.

Además del papel jugado en el aprovechamiento de estas fuentes de grandes energías, la Electrónica de Potencia juega un papel capital en el cambio paulatino de modelo de vehículo de transporte de personas y mercancías. Sin duda, el “cuello de botella” que frena el desarrollo del vehículo eléctrico (desde un punto de vista técnico) es la baja densidad energética que las baterías tienen frente a los carburantes obtenidos de combustibles fósiles. Sin embargo, y pese a este grave inconveniente que lastra la autonomía de los vehículos eléctricos, las grandes ventajas que presentan desde el punto de vista energético se basan en la recuperación de su energía mecánica en los procesos de deceleración y descenso, recuperación que sería imposible sin el concurso de la Electrónica de Potencia. Sin duda, el futuro desarrollo del vehículo eléctrico va a requerir la formación de todo tipo de técnicos (incluidos ingenieros) que comprendan bien el funcionamiento de los convertidores electrónicos de potencia encargados de las transformaciones de la energía eléctrica que en él tienen lugar, desde el punto de recarga de baterías hasta las mismas baterías, desde éstas hasta el motor eléctrico y desde éste de nuevo hasta las baterías (y quizás incluso en algunos casos, de nuevo hasta la red eléctrica). Incluso si el futuro del transporte eléctrico se basara en pilas de combustible de hidrógeno, el papel de la Electrónica de Potencia en ese vehículo sería igualmente muy relevante.

Con un futuro en el que la Electrónica de Potencia muestra su importancia en todos los campos citados anteriormente, aparece el texto que el lector tiene en sus manos en este momento. Se trata de un texto en el que se aborda un estudio completo de las conversiones propias de la Electrónica de Potencia: conversión continua-continua en el Capítulo 4, conversión continua-alterna en el Capítulo 5, conversión alterna-continua en el Capítulo 6 y conversión alterna-alterna en el Capítulo 7. Una introducción al control de los convertidores encargados de las conversiones citadas se aborda en el Capítulo 8, que predispone al lector a continuar en el estudio de esta materia, especialmente en lo referente al modelado dinámico de las etapas de potencia. Previo al estudio de las conversiones, los autores nos presentan una primera parte (Capítulos 1, 2 y 3) en la que se introduce la Electrónica de Potencia, se establecen los principios básicos de la teoría de circuitos y del manejo de señales eléctricas y se sistematiza el estudio del proceso de conmutación y de las conversiones que van a ser posibles usando interruptores. Estos primeros capítulos marcan en gran medida el espíritu del resto del texto: estudios rigurosos que persiguen una generalización sistemática de conceptos que lleve al lector a comprender que los circuitos presentados después se pueden concebir de forma lógica y no como consecuencia de un proceso de “prueba y error”, proceso que en el contexto de esta materia sería imprudente (cuando no peligroso). También siguiendo el rigor habitual en el texto, los autores proponen la realización de ejercicios directamente relacionados con lo que se está explicando en cada momento y la simulación de circuitos que el lector deberá realizar usando el programa PSIM. Asimismo, el lector puede encontrar apartados de conclusiones en cada capítulo, donde se sintetizan los conocimientos adquiridos, así como una selección de la bibliografía más útil en ese capítulo.

Como síntesis de todo esto, recalcar de nuevo que se trata de un texto riguroso y sistemático sobre una materia de muy creciente importancia en el futuro de las sociedades avanzadas.

Javier Sebastián

Área de Tecnología Electrónica

Universidad de Oviedo

ÍNDICE

I - FUNDAMENTOS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

1. Introducción a la Electrónica de Potencia

1.1. ¿Qué es la Electrónica de Potencia?

1.2. Clasificación de los convertidores estáticos

1.3. El interruptor como elemento constitutivo básico del convertidor estático

1.4. Estado actual y tendencias en los interruptores comerciales

1.5. Ámbitos de aplicación de la Electrónica de Potencia

1.6. Conclusiones

1.7. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos

2. Principios básicos

2.1. Definiciones previas

2.2. Elementos circuitales

2.3. Leyes y teoremas

2.4. Regímenes transitorios

2.5. Series de Fourier. Transformada de Fourier

2.6. Potencias en un régimen periódico

2.7. Conclusiones

2.8. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos

3. Interruptores y conmutación

3.1. El interruptor ideal

3.2. Caracterización estática de los interruptores

3.3. Caracterización dinámica de los interruptores

3.4. Estudio del proceso de conmutación

3.5. Caracterización completa de los interruptores. Diagramas de transición de estados

3.6. Síntesis básica de estructuras empleando interruptores

3.7. Conclusiones

3.8. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos

II - CONVERTIDORES ESTÁTICOS ESTRUCTURAS

4. Convertidores continua-continua

4.1. Introducción. Clasificación

4.2. Estructuras básicas de los troceadores de un cuadrante

4.3. Troceadores sin aislamiento galvánico de un cuadrante

4.4. Troceadores de dos y cuatro cuadrantes. Reversibilidad

4.5. Troceadores con aislamiento galvánico de un interruptor controlado

4.6. Convertidores CC-CC con aislamiento y diversos interruptores

4.7. Resumen de características de los convertidores CC-CC

4.8. Sobre el control de los convertidores CC-CC

4.9. Conclusiones

4.10. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos

5. Convertidores continua-alterna

5.1. Conceptos generales

5.2. Onduladores monofásicos de cuadrada y cuasi-cuadrada

5.3. Sobre el control de la rama onduladora

5.4. Onduladores monofásicos con modulación de ancho de pulsos sinusoidal sincrónica

5.5. Onduladores trifásicos de enlace directo

5.6. Conclusiones

5.7. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos

6. Convertidores alterna-continua

6.1. Conceptos preliminares

6.2. Rectificadore monofásico de media onda controlado (P1)

6.3. Rectificadores polifásicos de media onda controlados (Pq)

6.4. Rectificadores polifásicos de onda completa controlados, con secundario de transformador en estrella (PDq)

6.5. Rectificadores polifásicos de onda completa controlados, con secundario transformador en polígono (Sq)

6.6. Las diferentes potencias en un rectifi cador. Mejora del factor de potencia

6.7. Caídas de tensión en los rectificadores

6.8. Funcionamiento en cortocircuito

6.9. Conexionado serie y paralelo de rectificadores

6.10. Sobre el control de los convertidores CA-CC

6.11. Comparación de convertidores CA-CC

6.12. Conclusiones

6.13. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos

7. Convertidores alterna-alterna

7.1. Introducción

7.2. Variador de corriente alterna monofásico con control de fase

7.3. Variadores de corriente alterna trifásicos con control de fase

7.4. Variadores de corriente alterna con control de ciclo integral

7.5. Cicloconvertidores

7.6. Convertidores matriciales

7.7. Conclusiones

7.8. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos

III - EL CONVERTIDOR ESTÁTICO EN LAZO CERRADO

8. Introducción al control de convertidores en lazo cerrado

8.1. Conceptos generales

8.2. Convertidores alimentados en CC. Control por modulación

8.3. Convertidores alimentados en CA. Control de fase

8.4. Conclusiones

8.5. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos

I - FUNDAMENTOS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA
1 Introducción a la Electrónica de Potencia
Resumen

En este primer capítulo se precisa el alcance de la Electrónica de Potencia dentro del campo de la electrónica, haciendo una distinción clara entre una electrónica de conversión de energía y una electrónica de tratamiento de señal.

Se clasifican y definen los convertidores estáticos de energía atendiendo a diversos criterios y, de forma razonada, se determinan cuales deben ser los componentes constitutivos de un convertidor estático.

Se realiza una revisión del estado actual y de las tendencias futuras de los semiconductores empleados en Electrónica de Potencia.

Finalmente, se indican los ámbitos de aplicación de la Electrónica de Potencia.

Objetivos del capítulo

Al finalizar el presente capítulo el lector será capaz de:

 Distinguir entre la Electrónica de Potencia y la electrónica de procesado de información.

 Clasificar los convertidores estáticos según diferentes criterios.

 

 Determinar los diversos caminos de potencia en una red plana.

 Justificar la utilización de conmutadores (interruptores) para romper los caminos de potencia.

 Describir el estado actual de los semiconductores a utilizar en la Electrónica de Potencia, sus principales categorías y sus características eléctricas máximas.

 Justificar los componentes a utilizar en un convertidor estático.

 Detallar los ámbitos de aplicación de la Electrónica de Potencia.

1.1. ¿Qué es la Electrónica de Potencia?
1.1.1. Una primera definición

Todo proceso industrial requiere, en general, de un aporte elevado de energía. Para conseguir que el proceso sea fácilmente controlable, es necesario controlar con toda precisión la energía aportada al sistema.

En la figura 1.1 se muestra el esquema de bloques de un sistema automático como ejemplo de lo que podría ser un sistema industrial.

Figura 1.1. Esquema de bloques de un sistema automático.

En este esquema, se observa como llega un flujo de energía al proceso industrial, representado por una flecha gruesa, procedente de una fuente de energía eléctrica, normalmente la red industrial. El camino recorrido por este flujo pasa por el bloque denominado convertidor estático. Este subsistema, propio de la denominada Electrónica de Potencia, y objetivo central de este texto, será el encargado de dosificar correctamente la energía suministrada al proceso industrial.

Se observa, en la misma figura, el flujo de diversas señales: la señal a regular del proceso, la señal de consigna, la señal de error, etc. Todas estas señales son objeto de diferentes tratamientos, en diferentes bloques, con la finalidad de conseguir que el proceso actúe de acuerdo con las necesidades especificadas.

Es evidente la diferencia entre estos flujos.

Por un lado, el flujo de energía deberá recorrer un camino que suponga la menor disipación de potencia posible. En efecto, toda disipación de potencia que se produzca antes de llegar al proceso que se pretende controlar se producirá en detrimento del rendimiento resultante. Teniendo en cuenta el elevado valor de las potencias que en los sistemas industriales se ponen en juego, un bajo rendimiento puede provocar que la solución adoptada no sea realizable por razones de sostenibilidad.

Por el contrario, esta consideración no es aplicable al flujo de señales que han de ser tratadas en bloques, en los que será prioritaria la función que vayan a realizar, pasando a segundo término el coste (rendimiento) de la misma.

Así pues, en todo el proceso industrial estarán presentes dos tipos de sistemas electrónicos:

 Sistemas electrónicos de conversión de energía, dedicados a un cierto procesado de energía eléctrica, en los que será prioritario el rendimiento.

 Sistemas electrónicos de tratamiento de señal, en los que será prioritaria la función que se les encomiende en un ámbito de procesado de información.

En la figura 1.2 se esquematizan dichos sistemas electrónicos.

Figura 1.2. Representación en bloque de un sistema electrónico de procesado de energía (derecha), y uno de procesado de información (izquierda). Las flechas gruesas indican aporte de energía.

La Electrónica de Potencia es, en resumen, la parte de la electrónica que estudia los sistemas electrónicos de conversión de energía, es decir, que estudia los convertidores estáticos de energía eléctrica, también denominados procesadores estáticos de energía eléctrica.