Autor:
Kumar V. Mahtani Mahtani
Profesor Ayudante Doctor en el Departamento de Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial, Universidad Politécnica de Madrid.
La electrónica de potencia se centra en la conversión, control y distribución eficiente de energía eléctrica mediante dispositivos semiconductores. Es esencial en sistemas como fuentes de alimentación, accionamientos de motores y transmisión de energía. Este campo abarca varias técnicas y dispositivos de conversión, y en este artículo repasamos las principales configuraciones de conversión de energía: CA a CC, CA a CA, CC a CC, y CC a CA.
Conversión CA-CC
La conversión de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) se realiza a través de los rectificadores. Estos circuitos se utilizan para transformar la corriente alterna que proviene de la red eléctrica en corriente continua, y son fundamentales en muchas aplicaciones de electrónica de potencia. Los rectificadores se pueden clasificar según el tipo de fuente de CA (monofásica o trifásica) y el tipo de interruptor semiconductor utilizado. Los principales dispositivos en estos rectificadores son los diodos (dispositivos no controlados) y los tiristores o SCR (dispositivos controlados).
Los rectificadores se utilizan ampliamente en aplicaciones de electrónica de potencia, como los accionamientos de motores de CA y CC, y en sistemas de transmisión de CC de alta tensión (HVDC). En las aplicaciones más simples, se usan rectificadores de diodo, que no permiten controlar la salida de la corriente continua. Sin embargo, en situaciones donde se necesita un control de la tensión de salida CC, como en los accionamientos de motores de CA y CC, se emplean tiristores para controlar la fase de la frecuencia de la red eléctrica.
Además, el uso de rectificadores en los sistemas de potencia debe ser cuidadosamente gestionado, ya que si no se aplican correctamente, pueden generar armónicos y reducir el factor de potencia, afectando negativamente a la red eléctrica. Esto se debe a las fluctuaciones en la corriente que se producen cuando los rectificadores operan con una señal no ideal de CA.
Conversión CA-CA
La conversión de CA a CA es más compleja, ya que involucra la variación tanto de la tensión como de la frecuencia. Para realizar este tipo de conversión, se utilizan circuitos como los controladores de CA y los cicloconvertidores.
1. Controladores de CA: Estos convertidores permiten transformar una tensión fija de frecuencia fija en una tensión variable con frecuencia fija. Son típicamente utilizados en aplicaciones como controladores de motores monofásicos y atenuadores de luz. En estos casos, la frecuencia de salida se mantiene constante, pero la tensión puede ajustarse según sea necesario.
2. Cicloconvertidores: Estos dispositivos permiten una conversión más compleja, transformando una tensión fija de frecuencia fija en una tensión variable con frecuencia variable. Son especialmente utilizados en aplicaciones de alta potencia, como los motores de inducción y motores síncronos, que requieren un control preciso de la frecuencia y fase de la CA. Los tiristores se utilizan en estos sistemas debido a su capacidad para conmutar la fase de manera eficiente.
El control de CA se realiza principalmente mediante el uso de tiristores, que permiten regular parámetros como la temperatura, la iluminación y el control de motores de inducción. Los métodos más comunes de control incluyen:
- Control de fase, que ajusta la fase de la corriente.
- Control de encendido y apagado, que controla cuándo se enciende y apaga el dispositivo.
- Control de tiempo proporcional, que ajusta la duración de las fases de operación según las necesidades de la carga.
Conversión CC-CC
La conversión de CC a CC se realiza a través de los choppers o convertidores de conmutación. Estos dispositivos permiten aumentar o disminuir el nivel de tensión de una fuente de corriente continua (como una batería, celda solar o pila de combustible) a otro nivel de corriente continua. Esta conversión es clave en aplicaciones como la transmisión de CC de alta tensión y en la alimentación de dispositivos de baja potencia.
Los choppers son esenciales en los sistemas de transmisión HVDC, ya que permiten la conversión eficiente de energía eléctrica a través de largas distancias. Los dispositivos más utilizados en estos choppers incluyen IGBTs y MOSFETs para aplicaciones de baja potencia, y SCRs o tiristores para aplicaciones de alta potencia.
Existen dos tipos principales de choppers:
- Chopper reductor o convertidor Buck: Reduce la tensión de entrada.
- Chopper elevador o convertidor Boost: Aumenta la tensión de entrada.
Además, se utilizan fuentes de alimentación con conmutador, que emplean un regulador de conmutación para mejorar la eficiencia en la conversión de la energía, disipando menos calor que los reguladores lineales tradicionales.
Los convertidores CC-CC se utilizan principalmente en aplicaciones como las fuentes de alimentación de CC y en convertidores de frecuencia para motores de CC. A menudo, la entrada a estos convertidores es una tensión no regulada de CC, que se obtiene al rectificar la tensión de la red de CA. Como resultado, la tensión de entrada puede fluctuar dependiendo de las variaciones en la amplitud de la tensión de la red eléctrica. El convertidor CC-CC proporciona una salida controlada de CC en el nivel de tensión deseado.
Conversión CC-CA
La conversión de CC a CA se realiza mediante inversores, que convierten una fuente de CC en una tensión sinusoidal de CA. Este tipo de conversión es esencial para aplicaciones como la alimentación de cargas de CA, el control de motores de CA, o la interconexión de dispositivos de CC con la red eléctrica.
Los inversores se clasifican según su salida de CA en monofásicos y trifásicos, y pueden ser de puente medio o puente completo. Un inversor comúnmente se utiliza en sistemas de fuentes de alimentación ininterrumpida (SAI), donde se necesita una salida de CA sinusoidal con frecuencia y amplitud controladas.
Para los convertidores de frecuencia, dado que es difícil cambiar directamente la frecuencia de la onda CA, la conversión inicial consiste en transformar la CA en CC, lo cual es relativamente sencillo. Una vez que se tiene la tensión continua, es más fácil manipularla para obtener una frecuencia de salida específica. Los convertidores de frecuencia incluyen tres componentes esenciales:
- Rectificador: Convierte la CA en CC.
- Bus de CC: Almacena la energía en forma de corriente continua.
- Inversor: Convierte la energía almacenada en CC de vuelta a CA.
Los convertidores de frecuencia son fundamentales en aplicaciones como los accionamientos de motores de CA y en sistemas de alimentación ininterrumpida.
Conclusión
La electrónica de potencia es un campo clave en la gestión eficiente de la energía eléctrica, abarcando tecnologías de conversión que permiten transformar, controlar y distribuir la energía de manera efectiva. Ya sea en la conversión de CA a CC, CA a CA, CC a CC, o CC a CA, los dispositivos semiconductores, como los diodos, tiristores, IGBTs y MOSFETs, son fundamentales en el control y manipulación de la energía eléctrica. La correcta implementación de estos sistemas permite un uso más eficiente de la energía, mejora la calidad de la energía en la red eléctrica y optimiza el rendimiento de una amplia gama de aplicaciones, desde motores eléctricos hasta transmisión de energía de largo alcance.
