ELECTRONICA DE POTENCIA
TRANSFORMACION Y CONTROL DE VOLTAJE Y CORRIENTE
La expresión Electrónica de Potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles.
En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la conducción (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores estáticos de potencia.
De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de contínua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia.
El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off, encendido y apagado).
VALVULAS TERMOIONICAS DE POTENCIA
TIRATRON
Se llama tiratrón a una válvula termoiónica parecida a un triodo que estuviera lleno de gas. Se utiliza para el control de grandes potencias y corrientes, lo que en un dispositivo de vacío es muy difícil debido al número limitado de electrones que puede producir un cátodo termoiónico. Añadiendo un gas inerte que se ioniza, inicialmente por medio de los electrones termoiónicos, se tiene un número mucho mayor de portadores de corriente que en el triodo.
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| VALVULA TIRATRON |
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| TIRATRON SMALL |
TRIGATRON
El trigatrón consiste en un válvula de disparo empleada para potencias muy elevadas. Data de la Segunda Guerra Mundial, cuando se empleó en los radares para excitar los magnetrones que generaban la RF.
Conceptualmente, es una válvula muy simple, una de las pocas que puede construir uno en su casa. No requiere vacío; es más, en el vacío no funciona. Se basa en tener un gas a presión (aunque a presión ambiental también funciona) y dos electrodos cercanos, pero suficientemente separados para que, conectados a alta tensión, no se produzca una chispa. Un tercer electrodo —de disparo— se halla próximo a uno de ellos, de tal forma que un pulso aplicado al mismo cree una ionización —chispa— entre el electrodo de disparo y el más próximo. Una vez que se inicia la ionización del gas, aparece un camino de baja resistencia entre los dos electrodos principales, que produce una fuerte descarga entre ellos, pudiendo ser de varios KA. Una vez que el trigatrón se dispara ya no se puede cortar hasta que la tensión entre sus electrodos principales baja de cierto umbral.
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| VALVULA TRIGATRON |
Los disparos sucesivos del trigatrón van fundiendo y corroyendo los electrodos, por lo que es un dispositivo de vida muy limitada. La composición del gas y los electrodos se elige para tener una resistencia baja en conducción, a la vez que una vida larga del dispositivo.
Los trigatrones utilizados en la Segunda Guerra Mundial contenían mezclas de argón a alta presión. Para minimizar el riesgo de explosión, iban envueltos en una camisa de red. En la foto se muestra el CV100, de 250 KW de potencia y vida de unas 2000 horas.
Pese a lo que pueda parecer, la capacidad de disparar altas potencias (60 KV, 250 KA) de los trigatrones les ha permitido sobrevivir hasta hoy, con modelos disparados por pulsos como se describe arriba y modelos disparados por láser.
TIRISTOR
El Tiristor (gr.: puerta) es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.
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| TIRISTOR |
El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP).
Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR);1 otras definen al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC.
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| CONJUNTO DE TIRISTORES, SCR, DIAC Y TRIAC |
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:
* RCS, sigla para Rectificador Controlado de Silicio (SCR en inglés)
* Triac
* Transistor IGBT, sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor Bipolar con compuerta aislada
* Tiristor GTO, sigla para Gated Turnoff Thyristor, Tiristor apagado por compuerta
* Tiristor IGCT, sigla para Insulated Gate Controlled Thyristor, Tiristor controlado por compuerta
* Tiristor MCT, sigla para MOS Controlled Thyristor
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TIRISTORES DE POTENCIA
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CONVERTIDORES DE LA ENERGIA ELECTRICA
Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos.
Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores estáticos de potencia, clasificados en:
* Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua
* Inversores: convierten corriente continua en corriente alterna
* Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna de otra frecuencia menor
* Choppers: convierten corriente continua en corriente continua de menor o mayor tensión
En la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo de potentes motores.
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| TIRISTORES DE PUENTE RECTIFICADOR TRIFASICO |
APLICACIONES
Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes:
* Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los ordenadores.
* Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada comercialmente como "inverter" sustituye el antiguo control encendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrar energía. Asimismo, se ha utilizado ampliamente en tracción ferroviaria, principalmente en vehículos aptos para corriente continua (C.C.)durante las décadas de los años 70 y 80, ya que permite ajustar el consumo de energía a las necesidades reales del motor de tracción, en contraposición con el consumo que tenían los vehículos controlados por resistencias de arranque y frenado. Actualmente el sistema chopper sigue siendo válido, pero ya no se emplea en la fabricación de nuevos vehículos, puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el motor trifásico, mucho más potente y fiable que el motor de colector.
* Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las cocinas de inducción actuales.
* Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de potencia. Además de las ya comentadas destacan: sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc.
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| PUENTE RECTIFICADOR TRIFASICO ONDA COMPLETA |
WESTINGHOUSE
La compañía norteamericana Westinghouse Corporation fue pionera en la introducción del concepto de control industrial de alta potencia con un diseño de "computadora de proceso" de plataforma común y standard para un amplio rango de aplicaciones industriales como por ejemplo: trenes de laminación de acero, plantas de turbinas a gas, procesamiento de productos químicos, control de plantas nucleares, producción de electricidad, etc.
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| GABINETE DE POTENCIA WESTINGHOUSE |
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| GABINETES DE POTENCIA |
POWER ENGINEERING
"From fly-balls to microchips"Westinghouse also recognized the potential of using a common electronic control technology in different applications. The same electronics that could control a boiler could also control a turbine, blast furnace, caster or other large industrial process. Between 1950 and 1960, Westinghouse`s work in automatic steel mill controls led to the development and successful application of one of the first direct digital control (DDC) process computers--the PRODAC 4449. The PRODAC introduced several novel concepts to industrial computing such as "priority interrupts" and separate central processing units for mathematics and control logic. It also incorporated discrete logic devices with transistor switching speeds of three microseconds. Four of these revolutionary systems were shipped to steel companies in 1960-61. The last of these systems was taken out of service in 1983 after more than 20 years of service. Westinghouse subsequently succeeded in applying the concept to utility applications in the form of a computer called the PRODAC IV, at the Sewaren Plant of Public Service Electric and Gas.
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| GABINETE DE CONTROL |
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| GABINETE DE CONTROL NUMA LOGIC |
La fotografía superior corresponde a un gabinete de control en Electrónica Industrial de la compañia Westinghouse perteneciente al Sistema de control denominado NUMA LOGIC que consiste de una CPU modelo PC-700 y una serie de racks donde se encuentran instalados los módulos de Entrada, Salida, Registros y Dispositivos que controlan el proceso industrial de producción continua desarrollado en la planta industrial correspondiente.
El autor del presente blog "Museo de Electrónica" trabajó durante la década de 1980 como supervisor técnico de equipos Westinghouse y Numa Logic, aplicados a la industria metalúrgica en el área de laminación de aceros. Este equipamiento presentó estadísticamente una eficiencia del 95 % y sólo un pequeño porcentaje de fallos en los módulos de Entrada/Salida y un ínfimo porcentaje de desperfectos en las unidades PC-700 utilizadas como procesadores industriales.
A continuación se pueden apreciar una serie de fotografías de una Acería en la cual se utilizan equipos de control y potencia Westinghouse en forma totalmente integrada.
El autor del presente blog "Museo de Electrónica" trabajó durante la década de 1980 como supervisor técnico de equipos Westinghouse y Numa Logic, aplicados a la industria metalúrgica en el área de laminación de aceros. Este equipamiento presentó estadísticamente una eficiencia del 95 % y sólo un pequeño porcentaje de fallos en los módulos de Entrada/Salida y un ínfimo porcentaje de desperfectos en las unidades PC-700 utilizadas como procesadores industriales.
A continuación se pueden apreciar una serie de fotografías de una Acería en la cual se utilizan equipos de control y potencia Westinghouse en forma totalmente integrada.
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| ESTACION DE CONTROL |
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| FUNDICION DE ALEACIONES |
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| LAMINACION DE ACERO |
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| PROCESO STELMORE |
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| MUESTREO DE ACEROS |
ACTUALIDAD
Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivos de potencia y control en un único chip, reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvar como el aislamiento entre zonas trabajando a altas tensiones y circuitería de control, así como la disipación de la potencia perdida.
