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La importancia de la Electrónica de Potencia

El académico del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la U. de Antofagasta y director ejecutivo del Centro de Desarrollo Energético de Antofagasta (CDEA) Edward Fuentealba explica los aportes de la Electrónica de Potencia.

En los últimos años, la Electrónica de Potencia viene contribuyendo en el desarrollo de nuevas estructuras para el procesamiento de la energía.

Se está volviendo muy común generar energía eléctrica de diversas formas y convertirla en otra forma para poder utilizarla. Como ejemplo de esto, se puede citar las fuentes renovables, bancos de baterías y la transmisión de energía eléctrica en corriente continua (CC), que ponen a disposición la tensión de la red en niveles y formas diferentes de los de la red eléctrica original. Los principales usuarios de estas señales son los equipamientos electrónicos que usan tensiones en niveles diferentes de la disponible de la red eléctrica, los accionamientos de máquinas eléctricas, que modifican la tensión de la red eléctrica (amplitud y frecuencia) para controlar las máquinas, y finalmente en los sistemas eléctricos, la transmisión de energía en CC y la conversión de frecuencia. Todo esto, se ha logrado con el desarrollo de los dispositivos semiconductores: en primer lugar, se utilizaron dispositivos de conmutación natural (diodos), los que presentaban muchas limitaciones de operación y generaban una importante contaminación de armónicos en las redes eléctricas. Estos, posteriormente, fueron evolucionando, pasando por la invención del Rectificador Controlado de Silicio (SCR, por su sigla en inglés), invento que dio inicio a la Electrónica de Potencia moderna. Con el paso del tiempo fueron apareciendo otros dispositivos, como el Triac, tiristores bloqueables por puerta (GTO), transistores bipolares de potencia (BJT), transistores de efecto de campo de potencia (MOSFET), transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), transistores y tiristores de inducción estática (SIT y SITH), tiristores de puerta tipo MOS (MCT), Gate Turn-Off Thyristor (GTO) y tiristor conmutado puerto integrado (IGCT). Estos dispositivos pueden ser clasificados según sus frecuencias de operación y capacidades de procesamiento de energía.

En la actualidad, la Electrónica de Potencia está presente en los convertidores CA/CC (rectificadores), CC/CC (choppers), CC/CA (inversores) y CA/CA (gradadores o convertidores directos de frecuencia).

Los dispositivos más conocidos y difundidos en las industrias y compañías mineras son los variadores de frecuencia (convertidores CA/CA), los que se usan principalmente para el control de velocidad en correas transportadoras. Estos se componen de un rectificador, un condensador de acoplamiento y un inversor, lo que permite ingresar una tensión alterna y tener en la salida otra tensión alterna con magnitud de tensión y frecuencia variable.

Los nuevos dispositivos y estrategias de control utilizadas en la actualidad, rompen el concepto tradicional que se tiene de los convertidores electrónicos de potencia. Siempre se ha comentado que estos son causantes de la generación de armónicos, flicker y otros problemas que se presentan en los sistemas eléctricos de potencia. Los avances en nuevas topologías, estrategias de control y tecnología de semiconductores, permiten fabricar convertidores con factor de potencia unitario y tasas de distorsión armónica menores al 5%. Dado que estos avances involucran metodologías de
control avanzadas, e incluyen más electrónica en su construcción para evitar la generación de armónicos, redunda en una elevación de los precios respecto a las tecnologías clásicas. Podemos resumir cada uno de los convertidores de electrónica de potencia en los siguientes:

Rectificadores

Los rectificadores se emplean en los sistemas eléctricos cuando se requiere una tensión continua, pero se cuenta con alimentación de corriente alterna. Este tipo de dispositivos permiten, de una forma económica, contar con una tensión continua, pero generando niveles de armónicos de considerable magnitud. Existen diversas formas de poder atenuar estos armónicos, por ejemplo: convertidores multipulsos de 12 ó 18 pulsos; inyección de terceras armónicas; y diversas formas encontradas en la literatura correspondiente.

Por otra parte, aprovechando el desarrollo de los semiconductores, sensores y metodologías de control, se pueden emplear los dispositivos de conmutación forzada para crear rectificadores, PFC (Power Factor Correction), con una baja inyección de armónicas.

Choppers

Los reguladores conmutados o choppers son empleados para transformar niveles de tensión continuas, habitualmente conocidos como transformadores de corriente continua (concepto asociado a las máquinas eléctricas estáticas, sabiendo que los transformadores clásicos no funcionan con corrientes continuas, dado que provocan saturación de sus núcleos). De acuerdo a su configuración, los choppers pueden o no emplear aislamiento galvánico. Los más conocidos son utilizados como cargadores de baterías, los que permiten cumplir los ciclos de carga de los diversos tipos de baterías empleadas en la actualidad. Estos dispositivos poseen un amplio desarrollo para aplicaciones, tales como: células de combustible, fuentes de alta tensión CC (Laser), cargadores de baterías de sistemas fotovoltaicos y vehículos eléctricos.

Inversores

Estos dispositivos permiten transformar una tensión continua en tensión o corriente alterna. Debemos recordar que el inversor puede tener su salida en tensión o corriente y de forma pulsada o sinusoidal. La diferencia se logra de acuerdo al empleo de un filtro pasa baja en la salida del inversor.

Los inversores son ampliamente usados para inyectar corriente a la red proveniente de generación de energía eléctrica producidas por ERNC. La topología empleada en éste caso, es un inversor con salida de corriente, donde el equipo permite imponer una corriente sinusoidal, que en algunos casos permite mejorar el comportamiento de la red existente.

Otra forma, donde la Electrónica de Potencia por medio de los inversores es aplicada en mejorar la calidad de energía de las redes eléctricas, es por medio del empleo de filtros activos, que son dispositivos que permiten cubrir las deformaciones provocadas por equipamiento no lineales.

Con el empleo de inversores, por ejemplo en granjas eólicas y fotovoltaicas, es posible inyectar la energía eléctrica permitiendo que operen en isla o conectados a la red. Dado que las magnitudes de potencia son considerables, en muchos casos es necesario conectar varios inversores en paralelo, para que procesen toda la energía generada.

Adicionalmente, cuando grandes bloques de generaciones se encuentran a grandes distancias del consumo, nos vemos en la necesidad de transmitir la energía eléctrica usando tensión continua. La electrónica de potencia permite hacer posible esta aplicación reduciendo los costos en la transmisión de energía eléctrica de largas distancias, dado que las estructuras en corriente continua son más pequeñas y en CC no existen algunos problemas clásicos que suceden con la transmisión de CA. De lo expuesto, podemos concluir que en la actualidad los dispositivos de Electrónica de Potencia (EP), se encuentran en todos de los sistemas que procesan en forma estática, la energía eléctrica. Estos permiten que el proceso se realice con pérdidas reducidas y alto rendimiento en los equipos. Así se verifica que la EP moderna genera un mundo de posibilidades en el procesamiento de la energía eléctrica en forma eficiente.