Estado del Arte

Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica. Cuando este dispositivo se utiliza para convertir energía mecánica en energía eléctrica, se denomina generador; cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica, se llama motor [1, 3, 4, 5, 8].

En cuanto al voltaje de alimentación las máquinas eléctricas se dividen en dos tipos, máquinas de corriente alterna y máquinas de corriente directa. Las máquinas de corriente alterna a su vez se dividen en, máquinas síncronas y máquinas de inducción [1, 2, 4, 5].

a ser empleadas principalmente como aparatos de una sola velocidad. Lo típico era que se operaran a partir de fuentes de frecuencias fija, en la mayoría de los casos era la red de distribución de 50 o 60Hz [4].

En el caso de los motores de CA, el control de la velocidad requiere una fuente de frecuencia variable y no se disponía de este tipo de fuentes con facilidad. Por tanto, para las aplicaciones en las que se requería velocidad variable se usaban las máquinas de corriente directa, las cuales proporcionan un control de velocidad altamente flexible, aunque con cierto costo, ya que son más complejas más caras y requieren más mantenimiento que sus contraparte de CA [4].

La disponibilidad de contar con interruptores de estado sólido cambió totalmente este panorama. Ahora es posible construir dispositivos a base de Electrónica de Potencia capaces de alimentar el accionamiento de voltaje-corriente variable, con frecuencia variable, requerido para lograr el comportamiento de velocidad variable a partir de las máquinas de CA [4]. En la actualidad, las máquinas de CA han reemplazado a las de CD y se ha desarrollado una amplia gama de nuevas aplicaciones debido a que son más simples y más baratas en cuanto a mantenimiento [4, 9].

Durante los últimos treinta y cinco años ha ocurrido una revolución en la aplicación de los motores eléctricos. El desarrollo de paquetes de accionamientos de estado sólido para motores ha progresado hasta el punto de que prácticamente cualquier problema de control de potencia puede ser resuelto utilizándolos [5].

Con tales accionamientos de estado sólido es posible manejar los motores de corriente continua con fuentes de corriente alterna y los motores de corriente alterna, con fuentes de potencia de corriente continua. De la misma manera, es posible cambiar potencia de una frecuencia a potencia alterna de otra frecuencia [5].

Además, los costos de los sistemas de accionamiento de estado sólido han disminuido drásticamente mientras que su confiabilidad se ha incrementado. La versatilidad y el bajo costo relativo de los controles y accionamiento de estado sólido han generado muchas aplicaciones nuevas para los motores de corriente alterna en los cuales éstos tienen comportamientos que normalmente se asocian a las máquinas de corriente continua, que también han ganado flexibilidad mediante la aplicación de los accionamientos de estados sólido [5].

Este gran cambio ha resultado del desarrollo y el mejoramiento de una serie de accionamientos de estado sólido, es decir, de la Electrónica de Potencia [5].

La máquina eléctrica rotatoria, es el dispositivo electromecánico fundamental de los sistemas de accionamientos eléctricos. Los sistemas de accionamiento son ampliamente usados en diferentes aplicaciones, como bombas, ventiladores, molinos de papel y de textiles, elevadores, vehículos eléctricos y de transportación subterránea, aparatos electrodomésticos, sistemas de generación de viento, servos y robots, periféricos computacionales, molinos de acero y cemento, propulsión de barcos, entre otras [1, 10, 11].

Sin lugar a duda los accionamientos eléctricos actuales no serían posibles sin la Electrónica de Potencia, por lo que es necesario una reseña histórica desde que aparecieron los primeros dispositivos semiconductores hasta la actualidad [1, 12].

La Electrónica de Potencia en su definición más general, es la parte de la Electrónica encargada del estudio de dispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos para el procesamiento, control y conversión de la energía eléctrica [13].

Sin embargo, varios autores especializados en la disciplina de la Electrónica de Potencia tienen diferentes criterios. A continuación se exponen algunos de los criterios más relevantes:

potencia, electrónica y control. El Control se ocupa de las características estáticas y dinámicas de los sistemas en lazo cerrado. La Potencia se encarga de los sistemas de potencia móviles y estáticos para la generación, transmisión y distribución de la potencia eléctrica. Por último, la Electrónica trata con los componentes de estado sólido y circuitos para el tratamiento de señales con el objetivo de obtener el control necesario. Por tanto, Electrónica de Potencia se puede definir como la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y conversión de la potencia eléctrica.

Ned Mohan, Tore M. Undeland y William P. Robbins en [2] definen la Electrónica de Potencia como el procesamiento y control de la energía eléctrica suministrando voltajes y corrientes en la manera más óptima para ser utilizada por diferentes cargas.

Joseph Vithayathil en [14] define a la Electrónica de Potencia como la tecnología que liga la potencia eléctrica con la electrónica.

Bimal K. Bose en la introducción de [15] menciona cómo la Electrónica de Potencia combina la conversión y el control de la potencia eléctrica para diversas aplicaciones, tales como fuentes de alimentación reguladas CA y CD, control de iluminación y calefacción, soldadura eléctrica, procesos electroquímicos, calentamiento por inducción, control de máquinas CD y CA, etc. La evolución en Electrónica de Potencia a través de los años, ha desembocado en el concepto actual de la disciplina Electrónica de Potencia como la síntesis de múltiples disciplinas tecnológicas.

La historia de la Electrónica de Potencia se inicia en 1900 con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Después se introdujeron en forma gradual el rectificador de tanque metálico, el de tubo al vacío controlado por rejilla, el ignitrón el fanotrón y el tiratrón. Estos dispositivos se aplicaban para el control de potencia hasta la década de 1950 [6].

La primera revolución electrónica comenzó en 1948, con la invención del transistor de silicio en los "Bell Telephone Laboratories", por Bardeen, Brattain y Schockley. La mayor parte de las tecnologías modernas se pueden rastrear a partir de ese invento. La microelectrónica moderna ha evolucionado a través de los años a partir de los semiconductores de silicio. El siguiente adelanto, en 1956, también fue logrado en "Los Bell Laboratories", o sea la invención del transistor de disparo PNPN, que se definió como tiristor, o rectificador controlado de silicio (SCR) [6].

La segunda revolución electrónica comenzó en 1958, con el desarrollo del tiristor comercial, por la "General Electric Company". Fue el principio de una nueva era de la Electrónica de Potencia. Desde entonces se han introducido muchas clases distintas de dispositivos semiconductores de potencia y de técnicas de conversión. La revolución microelectrónica permitió tener la capacidad de procesar una cantidad gigantesca de información con una rapidez increíble. La revolución en la Electrónica de Potencia está permitiendo conformar y controlar grandes cantidades de potencia con una eficiencia siempre creciente [6, 16].

Debido al enlace entre la Electrónica de Potencia y la microelectrónica, están surgiendo hoy muchas aplicaciones potenciales de la Electrónica de Potencia, y esta tendencia va a continuar. Dentro de los siguientes 30 años, la Electrónica de Potencia conformará y acondicionará la electricidad en algún lugar de la red de transmisión entre su generación y todos los usuarios. La generación de la Electrónica de Potencia ha adquirido impulso desde los fines de la década de 1980 y a principios de 1990 [6].

Desde que se desarrolló el primer tiristor SCR a finales de 1957, ha habido un progreso impresionante en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta 1970, los tiristores convencionales se habían usado exclusivamente para el control de potencia en aplicaciones industriales. A partir de 1970 se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia, como los diodos, tiristores y transistores, que entraron al comercio [6].

son accionados por energía eléctrica. Los accionamientos consisten, en general, en procesos que transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía, o en el mismo tipo, pero con diferentes características. Los encargados de realizar dichos procesos son los sistemas a base de Electrónica de Potencia [13].

Las aplicaciones de la electrónica estuvieron limitadas durante mucho tiempo a las técnicas de alta frecuencia, como, emisores, receptores, etc. En la evolución de la electrónica industrial, las posibilidades estaban limitadas por la falta de fiabilidad de los elementos electrónicos entonces disponibles (tubos amplificadores, tiratrones, resistencias, condensadores). Esta fiabilidad era insuficiente para responder a las altas exigencias que se requerían en las nuevas aplicaciones del campo industrial [13].

La Electrónica de Potencia se desarrolla fundamentalmente a partir del nacimiento del tiristor. A partir de esa fecha los conceptos electrotécnicos se convierten en electrónicos. Se desarrollan entre los años 1965 y 1980 gran cantidad de convertidores para el procesamiento de la potencia eléctrica basados en este dispositivo. Cabe agrupar los desarrollos en este sentido en convertidores AC/DC (rectificadores controlados), convertidores DC/AC y AC/AC (inversores), y convertidores DC/DC (choppers de potencia) [13].

A partir de la década de 1980 se produce un fuerte incremento de la penetración en el mercado de equipos de potencia debido fundamentalmente a la incorporación por parte de estos otros nuevos elementos de potencia como el transistor, MOSFET, IGBT, que permiten mayores frecuencias de conmutación y consecuentemente la reducción del tamaño de los equipos [13].

La siguiente tabla muestra un resumen de la evolución histórica de la Electrónica de Potencia.

Como se puede ver en la tabla anterior la evolución de la Electrónica de Potencia se dio junto con los dispositivos semiconductores. Con la evolución de los dispositivos semiconductores, tales como, tiristores, MOSFET's e IGBT's se dieron los avances de los sistemas de accionamientos eléctricos hasta llegar a los módulos inteligentes en la década de 1990.

Los módulos inteligentes, Electrónica de Potencia avanzada, integran el módulo de potencia y el circuito periférico. El circuito periférico consiste en el seccionamiento de la entrada o la salida respecto a, e interconexión con, el sistema de señal y de alto voltaje, un circuito de excitación, un circuito de protección y de diagnóstico (contra exceso de corriente, cortocircuitos, sobrecalentamiento y exceso de voltaje), control por

conectar las fuentes externas (flotantes) [6, 17].

La industria de la Electrónica de Potencia ofrece una importante oportunidad de integrar las tecnologías para la conservación de la energía con el progreso del entorno de la humanidad, tanto en los procesos de fabricación como en los de aplicación de los productos electrónicos de potencia [13].

La variación de la velocidad en los motores eléctricos se puede lograr sin una pérdida apreciable de eficiencia mediante la utilización de un inversor electrónico de potencia de frecuencia variable. Sistemas de control de velocidad variable son la razón del ahorro energético y deben jugar un importante papel en la manipulación de la demanda de energía, de diversos sistemas industriales. La llave que posibilita dicha tecnología es la utilización del transistor bipolar de compuerta aislada ó IGBT [13].

Ante la expectativa creada en la actualidad, dada la necesidad de avance tecnológico, la Electrónica de Potencia junto con los rápidos sistemas de control proporcionan una oportunidad de crear un sistema flexible que pueda responder al amplio espectro de aplicaciones en los sistemas de potencia. Los sistemas electrónicos de potencia pueden utilizarse para regular tensión, adecuar las exigencias de potencia para controlar cargas, alimentar motores, así como para muchas más aplicaciones actuales y futuras [13].

Actualmente, existen diversos sistemas de accionamiento electrónico de motores de inducción basados principalmente en Electrónica de Potencia. Estos sistemas de accionamientos son llamados comúnmente módulos inteligentes variadores de velocidad o convertidores de frecuencia.

En el mercado actual existe una amplia gama de módulos variadores de velocidad de diversas capacidades y funcionalidades que satisfacen las necesidades más

fabricantes y distribuidores de semiconductores y de módulos variadores de velocidad más importantes son: ABB Semiconductor, International Rectifier, Baldor Motors and Drives, Fuji Electric, Freescale Semiconductor, Semikron, Siemens, Powerex, entre otros. En las páginas electrónicas de cada uno de los fabricantes anteriores se puede consultar los diferentes tipos y capacidades de variadores de velocidad.