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Abram Chernov
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Problemas de electrónica de potencia: soluciones prácticas con el libro de Lázaro


Problemas de Electrónica de Potencia: Un libro de referencia para estudiantes y profesionales




La electrónica de potencia es una rama de la ingeniería eléctrica que se ocupa del estudio, diseño, control y aplicación de los dispositivos, circuitos y sistemas que convierten, procesan y regulan la energía eléctrica. Se trata de una disciplina que tiene una gran relevancia e impacto en el desarrollo tecnológico, económico y social, ya que permite mejorar la eficiencia, la calidad, la seguridad y la sostenibilidad del uso de la energía eléctrica en diversos ámbitos, como la industria, el transporte, las comunicaciones, las energías renovables o el hogar.




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En este artículo vamos a presentar el libro Problemas de Electrónica de Potencia, escrito por los profesores Andrés Barrado y Antonio Lázaro, que es una obra de referencia para estudiantes y profesionales que quieran profundizar en el conocimiento y la práctica de esta materia. El libro ofrece una colección de problemas resueltos que abarcan los aspectos más importantes y actuales de la electrónica de potencia, desde el diseño y la selección de los dispositivos semiconductores, hasta el control y la regulación de los sistemas convertidores. El libro tiene un enfoque didáctico, riguroso y aplicado, que combina la teoría con la práctica, y que facilita el aprendizaje y el dominio de esta disciplina.


Qué es la electrónica de potencia y por qué es importante?




La electrónica de potencia se puede definir como la ciencia que estudia los principios, las técnicas y las herramientas para convertir, procesar y regular la energía eléctrica mediante dispositivos semiconductores. Estos dispositivos son capaces de conmutar (encender o apagar) grandes cantidades de potencia eléctrica con alta velocidad y eficiencia, lo que permite adaptar las características eléctricas (tensión, corriente, frecuencia o forma de onda) a las necesidades específicas de cada aplicación.


Definición y conceptos básicos de la electrónica de potencia




Los elementos fundamentales que intervienen en un sistema de electrónica de potencia son los siguientes:



  • La fuente o entrada, que puede ser una red eléctrica (alterna o continua), una batería, un generador o un panel solar.



  • El dispositivo semiconductor, que es el encargado de realizar la conmutación (encendido o apagado) del flujo de potencia eléctrica. Los dispositivos semiconductores más utilizados son los diodos, los transistores, los tiristores o los IGBT (transistores bipolares con puerta aislada).



  • El circuito convertidor, que es el conjunto formado por uno o varios dispositivos semiconductores y otros elementos pasivos (resistencias, inductancias o capacitores) que configuran un circuito capaz de transformar las características eléctricas (tensión, corriente, frecuencia o forma de onda) según el objetivo deseado.



  • La carga o salida, que es el elemento que consume o almacena la potencia eléctrica suministrada por el circuito convertidor. La carga puede ser resistiva (como una bombilla), inductiva (como un motor), capacitiva (como un condensador) o mixta (como un ordenador).



  • El sistema de control, que es el encargado de generar las señales adecuadas para activar o desactivar los dispositivos semiconductores según un criterio preestablecido. El sistema de control puede ser analógico o digital, y puede basarse en diferentes técnicas como el control por modulación por ancho de pulsos (PWM), el control por modulación por posición de pulsos (PPM) o el control por modulación por frecuencia de pulsos (PFM).



Aplicaciones y beneficios de la electrónica de potencia




La electrónica de potencia tiene una gran variedad de aplicaciones en diferentes sectores y ámbitos, como los siguientes:



  • La industria, donde se utiliza para controlar la velocidad y el par de motores eléctricos, para regular la temperatura y el flujo de procesos térmicos, para alimentar equipos electrónicos sensibles, para generar y transmitir energía eléctrica a larga distancia, o para reciclar la energía reactiva.



  • El transporte, donde se utiliza para propulsar vehículos eléctricos o híbridos, para iluminar y climatizar trenes, aviones o barcos, para accionar sistemas ferroviarios, aeroportuarios o portuarios, o para recargar baterías.



  • Las comunicaciones, donde se utiliza para alimentar antenas, repetidores, satélites o centrales telefónicas, para regular la calidad y la estabilidad de las señales, o para proteger los equipos frente a sobretensiones o cortes.



  • Las energías renovables, donde se utiliza para convertir la energía solar, eólica, hidráulica o geotérmica en energía eléctrica, para almacenarla en baterías o condensadores, para inyectarla en la red eléctrica, o para optimizar su aprovechamiento.



  • El hogar, donde se utiliza para iluminar, climatizar, cocinar, limpiar o entretener, para mejorar el confort, la seguridad y el ahorro energético, o para proteger los electrodomésticos frente a variaciones o interrupciones del suministro eléctrico.



Los beneficios que aporta la electrónica de potencia son numerosos e importantes, como los siguientes:



  • Aumenta la eficiencia energética, al reducir las pérdidas por calentamiento, conmutación o transmisión, y al aprovechar mejor las fuentes disponibles.



Mejora la calidad del servicio eléctrico



  • La potencia nominal, que es la máxima potencia que puede soportar el dispositivo sin dañarse. Se debe elegir un dispositivo que tenga una potencia nominal superior a la potencia máxima que se va a manejar en la aplicación.



  • La tensión de bloqueo, que es la máxima tensión que puede soportar el dispositivo en estado de corte (apagado). Se debe elegir un dispositivo que tenga una tensión de bloqueo superior a la tensión máxima que se va a aplicar en la aplicación.



  • La corriente de conducción, que es la máxima corriente que puede conducir el dispositivo en estado de saturación (encendido). Se debe elegir un dispositivo que tenga una corriente de conducción superior a la corriente máxima que se va a circular en la aplicación.



  • La frecuencia de conmutación, que es la máxima frecuencia a la que puede cambiar el dispositivo entre los estados de corte y saturación. Se debe elegir un dispositivo que tenga una frecuencia de conmutación igual o superior a la frecuencia de trabajo que se va a utilizar en la aplicación.



  • Las pérdidas por conmutación, que son las pérdidas de energía que se producen cada vez que el dispositivo cambia de estado. Se debe elegir un dispositivo que tenga las menores pérdidas posibles, para mejorar la eficiencia del sistema.



  • El costo y la disponibilidad, que son factores económicos y logísticos que influyen en la elección del dispositivo. Se debe elegir un dispositivo que tenga un costo razonable y una disponibilidad suficiente, para optimizar el presupuesto y el tiempo del proyecto.



Problemas relacionados con el diseño y la selección de los circuitos convertidores




Los circuitos convertidores son el conjunto formado por uno o varios dispositivos semiconductores y otros elementos pasivos (resistencias, inductancias o capacitores) que configuran un circuito capaz de transformar las características eléctricas (tensión, corriente, frecuencia o forma de onda) según el objetivo deseado. Algunos de los problemas más comunes y relevantes que se presentan en el diseño y la selección de los circuitos convertidores son los siguientes:


Tipos y características de los circuitos convertidores más utilizados




Existen diversos tipos de circuitos convertidores, cada uno con sus ventajas e inconvenientes, que se pueden clasificar según el tipo de conversión que realizan. Algunos de los más utilizados son:



  • Rectificadores: son circuitos convertidores que transforman la corriente alterna en corriente continua. Se usan para alimentar cargas o dispositivos que requieren corriente continua, como baterías, motores o inversores. Los rectificadores pueden ser monofásicos o trifásicos, y pueden ser controlados o no controlados según el tipo de dispositivo semiconductor que utilicen.



  • Inversores: son circuitos convertidores que transforman la corriente continua en corriente alterna. Se usan para alimentar cargas o dispositivos que requieren corriente alterna, como redes eléctricas, generadores o motores. Los inversores pueden ser monofásicos o trifásicos, y pueden ser controlados o no controlados según el tipo de dispositivo semiconductor que utilicen.



  • Cicloconversores: son circuitos convertidores que transforman la corriente alterna en corriente alterna de otra frecuencia menor. Se usan para controlar la velocidad y el par de motores síncronos o asíncronos. Los cicloconversores pueden ser monofásicos o trifásicos, y pueden ser controlados o no controlados según el tipo de dispositivo semiconductor que utilicen.



  • Choppers: son circuitos convertidores que transforman la corriente continua en corriente continua de otra magnitud. Se usan para regular el voltaje o la corriente de salida, o para transferir energía entre dos fuentes o cargas de corriente continua. Los choppers pueden ser reductores (buck), elevadores (boost), reductores-elevadores (buck-boost) o Cuk según el tipo de conversión que realicen.



  • Gradadores: son circuitos convertidores que transforman la corriente alterna en corriente alterna de otra magnitud. Se usan para regular el voltaje o la potencia de salida, o para controlar el ángulo de disparo de los dispositivos semiconductores. Se usan para controlar el voltaje o la potencia de salida, o para controlar la velocidad y el par de motores de inducción o de corriente continua.



Criterios y métodos para elegir el circuito adecuado según la aplicación




Para elegir el circuito convertidor más adecuado para cada aplicación, se deben tener en cuenta una serie de criterios y métodos que permitan evaluar las características y el desempeño del circuito. Algunos de los aspectos que deben tenerse en cuenta son:



  • El tipo y la forma de la fuente y la carga, que determinan el tipo de conversión que se debe realizar (CA/CC, CC/CA, CA/CA o CC/CC) y la forma de onda que se debe obtener (senoidal, cuadrada, triangular, etc.). Se debe elegir un circuito que sea compatible con la fuente y la carga, y que proporcione la forma de onda deseada.



  • La potencia y la eficiencia del circuito, que indican la capacidad del circuito para manejar la potencia requerida por la carga y el rendimiento del circuito para aprovechar la potencia suministrada por la fuente. Se debe elegir un circuito que tenga una potencia suficiente y una eficiencia alta, para evitar sobrecargas o desperdicios de energía.



  • La calidad de la tensión y la corriente de salida, que reflejan el grado de distorsión armónica, el factor de potencia, el rizado o el ruido que presenta el circuito. Se debe elegir un circuito que tenga una calidad buena o aceptable, para evitar problemas en la carga o en la red eléctrica.



  • El costo y la complejidad del circuito, que implican el número y el tipo de componentes, el tamaño y el peso del circuito, el diseño y el montaje del mismo, y el mantenimiento y la reparación del mismo. Se debe elegir un circuito que tenga un costo razonable y una complejidad moderada, para optimizar el presupuesto y el tiempo del proyecto.



Problemas relacionados con el control y la regulación de los sistemas de electrónica de potencia




El control y la regulación de los sistemas de electrónica de potencia consisten en generar las señales adecuadas para activar o desactivar los dispositivos semiconductores según un criterio preestablecido. El objetivo es lograr que el sistema funcione correctamente y cumpla con los requisitos de la aplicación. Algunos de los problemas más comunes y relevantes que se presentan en el control y la regulación de los sistemas de electrónica de potencia son los siguientes:


Tipos y características de los sistemas de control más utilizados




Existen diversos tipos de sistemas de control, cada uno con sus ventajas e inconvenientes, que se pueden clasificar según su naturaleza, su estructura o su técnica. Algunos de los más utilizados son:



  • Sistemas de control analógicos o digitales: los sistemas analógicos utilizan señales continuas o variables para generar las señales de control, mientras que los sistemas digitales utilizan señales discretas o binarias para generar las señales de control. Los sistemas digitales tienen ventajas como mayor precisión, menor sensibilidad al ruido o mayor facilidad para implementar algoritmos complejos.



  • Sistemas de control en bucle abierto o cerrado: los sistemas en bucle abierto generan las señales de control sin retroalimentación, es decir, sin medir ni comparar la salida con un valor deseado. Los sistemas en bucle cerrado generan las señales de control con retroalimentación, es decir, midiendo y comparando la salida con un valor deseado. Los sistemas en bucle cerrado tienen ventajas como mayor estabilidad, menor error o mayor robustez frente a perturbaciones.



Sistemas de control por modulación por ancho de potencia, tales como los dispositivos semiconductores, los circuitos convertidores, el control y la regulación, las aplicaciones en motores, fuentes conmutadas, sistemas de iluminación, sistemas fotovoltaicos y sistemas eólicos. El libro ofrece una metodología clara y sistemática para resolver los problemas, basada en el análisis teórico, el planteamiento de ecuaciones, el desarrollo de cálculos y la interpretación de resultados. El libro también incluye una serie de anexos con información útil, como las características de las principales formas de onda, las hojas de datos de los componentes más utilizados y la solución a los problemas propuestos. El libro es el resultado del trabajo conjunto de más de 40 autores, todos ellos profesores universitarios o investigadores especializados en electrónica de potencia, que aportan su experiencia y su conocimiento en cada uno de los temas tratados. El libro es una herramienta imprescindible para los estudiantes de ingeniería eléctrica, electrónica o industrial que quieran aprender y practicar la electrónica de potencia, así como para los profesionales que quieran actualizar o ampliar sus conocimientos en esta materia.


Conclusión




La electrónica de potencia es una disciplina que tiene una gran importancia y aplicabilidad en el ámbito de la ingeniería eléctrica y electrónica, ya que permite transformar y controlar la energía eléctrica según las necesidades de cada aplicación. La electrónica de potencia plantea una serie de problemas y desafíos que requieren de un conocimiento profundo y una adecuada solución. Para ello, se deben dominar los conceptos teóricos y las técnicas prácticas relacionadas con los dispositivos semiconductores, los circuitos convertidores, el control y la regulación, y las aplicaciones específicas. El libro Problemas de Electrónica de Potencia, escrito por Andrés Barrado y Antonio Lázaro, es una obra de referencia que ofrece una colección de problemas resueltos que abarcan los aspectos más importantes y actuales de la electrónica de potencia. El libro ofrece una metodología clara y sistemática para resolver los problemas, basada en el análisis teórico, el planteamiento de ecuaciones, el desarrollo de cálculos y la interpretación de resultados. El libro también incluye una serie de anexos con información útil, como las características de las principales formas de onda, las hojas de datos de los componentes más utilizados y la solución a los problemas propuestos. El libro es el resultado del trabajo conjunto de más de 40 autores, todos ellos profesores universitarios o investigadores especializados en electrónica de potencia, que aportan su experiencia y su conocimiento en cada uno de los temas tratados. El libro es una herramienta imprescindible para los estudiantes de ingeniería eléctrica, electrónica o industrial que quieran aprender y practicar la electrónica de potencia, así como para los profesionales que quieran actualizar o ampliar sus conocimientos en esta materia. El libro se puede adquirir en formato impreso o digital a través de la página web de la editorial Pearson o de las principales librerías y tiendas online. El libro tiene un precio de 43,24 (IVA incluido) y cuenta con 1192 páginas. El libro tiene un ISBN de 9788420546520 y una fecha de publicación de 2008.


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