La electrónica de potencia ha revolucionado nuestra forma de utilizar la energía en diversos ámbitos de nuestra vida diaria. Desde la carga de nuestros dispositivos móviles hasta el control de los motores de grandes maquinarias, esta tecnología nos permite hacer un uso más eficiente y seguro de la energía eléctrica. En este artículo, exploraremos el concepto de la electrónica de potencia, su diagrama de bloques y algunas de sus aplicaciones más relevantes en nuestra sociedad actual. ¡Prepárate para descubrir cómo esta fascinante disciplina está transformando nuestro mundo eléctrico!
Power Electronics, como su nombre lo dice, es la aplicación de la electrónica en el campo de las aplicaciones de alta potencia. Normalmente, la electrónica, ya sea analógica o digital, se ocupa de aplicaciones de baja potencia limitadas a una pequeña tensión y corriente de CC. Estas aplicaciones son conocidas por ser eficientes y confiables. La electrónica de potencia pasó a primer plano para brindar la misma eficiencia y confiabilidad al campo of ingeniería de alta potencia.
La electrónica de potencia es necesaria en varios campos, como sistemas de energía limpios y ecológicos, aplicaciones electrónicas domésticas, tecnología espacial, control eficiente de motores, etc. El control preciso, la eficiencia y la confiabilidad hacen que la electrónica de potencia sea un campo popular.
La electrónica de potencia incluye el conocimiento y funcionamiento de semiconductores, modelos de sistemas eléctricos, sistemas de control, actuadores, etc. Todos estos proporcionan un control preciso y completo de una aplicación.
Modelo de un sistema basado en electrónica de potencia
Un modelo general de un sistema basado en electrónica de potencia puede entenderse mediante el siguiente diagrama.
El diagrama del modelo es casi similar para todas las aplicaciones de control basadas en electrónica de potencia. Aquí hemos tomado un ejemplo de una aplicación de motor que utiliza un sistema de control basado en electrónica de potencia.
La entrada proporcionada es la energía eléctrica que luego pasa por un circuito de filtro donde el voltaje y la corriente de la entrada se reducen a un valor apropiado. Esto luego se alimenta a un circuito electrónico de potencia que proporciona la entrada adecuada y controlada para el motor. El motor comienza a funcionar, lo que significa que produce una potencia mecánica calculada a partir del par y la velocidad.
Si el par o la velocidad de salida no son adecuados, se proporciona una ruta de retroalimentación que envía la salida de regreso al sistema de control basado en la electrónica de potencia. En base a esta retroalimentación, el controlador genera una salida que es alimentada al motor para su correcto y adecuado funcionamiento. Entenderemos la aplicación práctica de un sistema de control basado en electrónica de potencia en un momento.
Alcance de la electrónica de potencia
Los sistemas de electrónica de potencia son conocidos por su fiabilidad y control preciso. Es por eso que el alcance de la electrónica de potencia es enorme. Ya se trate de sistemas de potencia, máquinas eléctricas, procesamiento de señales o aplicaciones industriales, el papel de la electrónica de potencia es inmenso.
La electrónica de potencia revolucionó la forma en que funcionaban y se controlaban los sistemas eléctricos. Uno de los principales problemas que abordaron los sistemas basados en electrónica de potencia fue la mejora de la eficiencia con una mayor precisión en la salida de las aplicaciones. Anteriormente, solíamos lograr uno sacrificando el otro, pero la electrónica de potencia cambió la situación.
Comprendamos el funcionamiento de un sistema basado en electrónica de potencia.
El control basado en la electrónica de potencia se logra utilizando elementos denominados dispositivos electrónicos de potencia, también conocidos como interruptores. Estos dispositivos son como SCR (rectificador controlado por silicio), MOSFET, BJT, GTO, etc., que ayudan en la conmutación rápida y el control confiable. Comprendamos la aplicación de uno, es decir, SCR usando el diagrama anterior.
El diagrama de circuito que se muestra arriba es el de un sistema de control de motor que usa SCR. SCR significa Rectificador Controlado por Silicio y también se conoce como Tiristor. Tiene tres terminales: ánodo, cátodo y puerta. Es similar a la de un diodo excepto que tiene una terminal adicional llamada Puerta.
Al igual que un diodo, un SCR tiene polarización directa cuando el ánodo está conectado a la terminal positiva y el cátodo está conectado a la terminal negativa de una fuente de voltaje. Sin embargo, no puede conducir a menos que la terminal de la compuerta esté alimentada con una fuente de voltaje. Una vez que la terminal de puerta está activa, el interruptor (SCR) se comporta idealmente como un cortocircuito y permite el flujo normal de corriente eléctrica.
Por tanto, el terminal de puerta actúa como un terminal de control para el dispositivo de conmutación, es decir, el SCR. Si el voltaje del terminal de la puerta es bajo, el interruptor actúa como un circuito abierto y detiene el flujo de corriente, mientras que si el voltaje de la puerta es alto, permite el flujo normal de corriente a través del circuito conectado. Por lo tanto, en lugar de cortar la fuente de alimentación del motor, podemos encender/apagar el suministro de la compuerta para arrancar y detener el motor respectivamente.
Ahora, surge la pregunta ¿cuál es el uso y la ventaja de esto? ¿Para qué sirve?
La principal ventaja es la controlabilidad. Digamos que necesitamos reducir la velocidad del motor. Un método es reducir el voltaje usando un reóstato al dejar caer el voltaje. Pero en ese caso, hay una inmensa pérdida de energía eléctrica en forma de calor.
Pero con SCR, la terminal de puerta se alimenta mediante un circuito de control que genera pulsos eléctricos de una duración específica según el requisito. Los pulsos son voltajes de CC que aumentan durante un período de tiempo específico y luego disminuyen. Este tipo de pulso puede ser generado por un microprocesador que se alimenta a la terminal de puerta del SCR.
Por lo tanto, el SCR se enciende/apaga alternativamente haciendo que la corriente eléctrica pase a través del circuito del motor. Esto hace que el voltaje promedio a través del motor caiga y la velocidad del motor disminuya. Esto permite un control suave de la velocidad del motor, especialmente donde las aplicaciones son sensibles.
Además de eso, proporciona un control de velocidad eficiente. A diferencia del caso del control de velocidad basado en resistencia, donde hubo una pérdida de potencia debido a la caída de voltaje en el reóstato, la pérdida de potencia en el control de velocidad controlado por SCR es muy baja.
Estas son las ventajas asociadas con el control basado en la electrónica de potencia utilizando dispositivos de electrónica de potencia.
Dispositivos semiconductores de potencia
Los siguientes dispositivos semiconductores de potencia se utilizan ampliamente en la electrónica de potencia.
- diodos de potencia- Propósito general, alta velocidad y diodo schottky
- tiristores – TRIAC, IGCT, MCT, LÁSER, RCT, SITH, GATT, GTO y SCR
- transistores- SENTADO, IGBT, MOSFET
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Hay cinco tipos de electrónica de potencia circuitos ampliamente utilizados para la conversión de energía.
- Rectificadores – El rectificador convierte CA en CC variable. Los tipos de rectificadores son rectificadores de media onda, rectificadores de onda completa y rectificadores controlados.
- helicópteros – Son un convertidor CC-CC y convierten CC fija en CC variable
- inversores – El inversor convierte CC en CA con voltaje variable y frecuencia variable
- Reguladores de voltaje – Convierte CA fija a CA variable a la misma frecuencia de entrada
- cicloconvertidores – Convierte CA fija a CA con frecuencia variable
Ventajas de los convertidores de electrónica de potencia
Los convertidores de electrónica de potencia ofrecen las siguientes ventajas.
- Altamente fiable
- Tamaño pequeño y compacto
- Consume muy menos energía
- Altamente eficiente
- Respuesta muy rápida
- Larga vida
Desventajas de los convertidores de electrónica de potencia
Las siguientes son las desventajas del convertidor de electrónica de potencia.
- Limitación de capacidad de sobrecarga
- Genera armónicos
- Caro
Una aplicación práctica del control basado en electrónica de potencia
Analicemos una aplicación práctica de la electrónica de potencia en nuestra vida diaria: el funcionamiento de un sistema de aire acondicionado basado en inversor.
El modelo que se muestra arriba es el de un sistema de aire acondicionado controlado a distancia. La entrada proviene de una fuente de energía que tiene un voltaje V y una corriente I fluye a través del circuito. Esto se alimenta al inversor, que es el dispositivo de control basado en la electrónica de potencia.
Un inversor primero convierte el voltaje de CA de entrada en CC. Finalmente, este voltaje de CC se cambia mediante dispositivos electrónicos de potencia de tal manera que se convierte en voltaje de CA controlado. La frecuencia de conmutación de los dispositivos se basa en el ángulo de disparo, que no es más que el intervalo de tiempo entre dos pulsos sucesivos del terminal de la puerta, ya que el dispositivo electrónico de potencia permite la conducción solo cuando hay un pulso de la puerta.
En un inversor, hay seis dispositivos de este tipo (por ejemplo, MOSFET o IGBT) que se encienden y apagan en una secuencia predeterminada, de modo que el voltaje de salida es de naturaleza alterna. Por lo tanto, cuanto mayores sean los pulsos en el terminal de puerta del respectivo dispositivo electrónico de potencia, mayor será la tasa de conmutación y, por lo tanto, mayor será el voltaje promedio que se aplica en el motor del compresor.
Esto hace que el motor comience a funcionar. Gracias al compresor, la habitación comienza a enfriarse. Ahora, hacemos uso del control remoto para establecer una temperatura a la que queremos que funcione el aire acondicionado. Esto ha sido demostrado por la «Temperatura de referencia». en el diagrama del modelo.
Un sensor de temperatura detecta la temperatura ambiente y envía los datos a un comparador. El comparador compara los datos de temperatura ambiente con la temperatura de referencia (la configurada por el control remoto) y encuentra la diferencia. Esta diferencia se conoce como señal de error que se retroalimenta al microprocesador de control del ángulo de disparo.
Este microprocesador luego genera el ángulo de disparo según sea necesario para minimizar o neutralizar el error. Digamos que la temperatura ambiente es de 30°C y queremos que sea de 25°C. Entonces, en este caso, la temperatura de referencia establecida por el control remoto es de 25°C. El comparador compara ambas temperaturas y encuentra un error de 5°C. C. Esto se alimenta en forma de una señal eléctrica al microprocesador que controla el ángulo de disparo de los dispositivos electrónicos de potencia dentro del inversor.
Como hay una brecha de 5 grados C, el microprocesador genera más pulsos de disparo con respecto al tiempo. Esto hace que los dispositivos electrónicos de potencia permanezcan encendidos por un instante de tiempo más prolongado y, como resultado, aumenta el voltaje promedio en la terminal del compresor. Esto hace que el compresor funcione más rápido y, por lo tanto, la temperatura ambiente baje para minimizar el error a cero.
Una vez que el error llega a cero, el microprocesador reduce la cantidad de pulsos y, por lo tanto, el voltaje promedio al compresor también disminuye. De esta forma, se logra un control suave, rápido y eficiente del motor del compresor con la ayuda de un sistema de control basado en electrónica de potencia.
Otras áreas de aplicación de la electrónica de potencia
En la estabilidad y el control del sistema de potencia, la electrónica de potencia juega un papel importante. Por ejemplo, la compensación de VAR estático para mejorar el factor de potencia de transmisión y la estabilidad se controla mediante dispositivos electrónicos de potencia.
En la transmisión HVDC, se utilizan convertidores de potencia que convierten CA a CC en el lado del extremo de envío, mientras que de CC a CA en el extremo de recepción. Es una de las formas más eficientes de transmisión de energía a granel. Las otras áreas de aplicación son las siguientes.
- Energía renovable: Se utiliza para la conversión de alimentación de CC en alimentación de CA. El sistema de energía renovable conectado a la red ofrece varias ventajas y los convertidores de potencia se utilizan como convertidor e inversores.
- Industrias: En aplicaciones tales como hornos, soldadura, bombas y compresores, iluminación, galvanoplastia, calentamiento por inducción, calderas, transportadores, ascensores, montacargas, grúas, electroimanes, vehículos eléctricos y hornos, etc.
- Médico: Instrumentos y máquinas médicas, como MRI. radiografías, etc.,
- Inicio Aplicaciones: Electrodomésticos como Frigoríficos, aspiradoras, lavadoras, máquinas de coser, secadoras, batidoras y trituradoras, aire acondicionado, etc.
- Instalaciones Comerciales: En oficinas y edificios comerciales, las aplicaciones de electrónica de potencia comprenden computadoras, ventiladores eléctricos, máquinas expendedoras, amplificadores de audio, cargadores de baterías, fotocopiadoras, etc.
- Sistemas de Automoción y Seguridad: CCTV, Vehículos eléctricos, Reguladores, Radar/Sonar, Alarmas, etc.
- Aviación y aeroespacial: Ssistemas de satélites, aeronaves y vehículos espaciales, sistemas de energía de naves espaciales, etc.
- Transporte: Accionamientos a motor, trenes, trolebuses y subterráneos, locomotoras, tranvías, sistemas de tracción, ascensores, levitación magnética, etc.
- Telecomunicación: UPS, fuente de alimentación DC, transmisor y receptor de radio y TV, comunicación inalámbrica, etc.
- Sistemas de poder: Disyuntores estáticos, reactores controlados por tiristores, sistemas de almacenamiento de energía, supresión de armónicos, etc.
- Procesamiento de señales digitales- Conversión digital a analógico y analógico a digital
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