7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

1/26

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

ESCUELA POLITCNICA SUPERIORDE INGENIERA DE GIJN

LA ELECTRNICA DE POTENCIA Y SUAPLICACIN EN EL CAMPO DE LA ENERGA

ELICA OFFSHORE

POR EL PROFESOR

D. MANUEL RICO SECADESDoctor Ingeniero IndustrialCatedrtico de Universidadrea de Tecnologa ElectrnicaUniversidad de Oviedo

RESUMEN DEL DISCURSO

LEDO EN LA SOLEMNE ENTREGA DE LOS DIPLOMAS ACADMICOS A LOS INGENIEROSINDUSTRIALES DE LA 26 PROMOCIN, INGENIEROS EN INFORMTICA DE LA 17PROMOCIN, INGENIEROS DE TELECOMUNICACIN DE LA 5 PROMOCIN Y

TITULADOS EN LOS MSTERES DE TICRM E INGENIERA MECATRNICA

Gijn, 4 de junio de 2010

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

2/26

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

3/26

3

AGRADECIMIENTOS

Pocas son las ocasiones que nos ofrece la actividad diaria para agradecer el apoyo que muchas personas

que nos rodean nos prestan. Gracias a su trabajo, ayuda y consejos somos lo que somos en el campo

acadmico y profesional.

Quiero empezar este agradecimiento por mi familia, mi mujer (Mara) y mis hijas (Sara y Adriana) por su

apoyo, consejos y paciencia, reconociendo que debido a mi dedicacin a la Universidad no les presto

la atencin que debiera.

Quiero mencionar a mis compaeros de la Universidad de Oviedo, de mi rea de Conocimiento

Tecnologa Electrnicay de mi Departamento Ingeniera Elctrica, Electrnica, Computado-

res y Sistemas, ya que toda mi actividad y mritos son frutos de trabajo en equipo y colaborativo con

ellos. Quiero dedicar esta leccin a las nuevas generaciones de ingenieros de mi departamento, y muy

en particular a Jorge Garca Garca (Tecnologa Electrnica), Pablo Arboleya Arboleya (IngenieraElctrica) y a Pablo Garca Fernndez (Ingeniera de Sistemas y Automtica), con lneas de inves-

tigacin muy relacionadas con esta leccin que voy a impartir y, que sin duda, podran impartirla mucho

mejor que yo. Ellos representan a una nueva savia con espritu de agregacin y colaboracin fundamen-

tal para el futuro de nuestra Universidad.

Tambin, en este curso tan especial, en el que la Universidad de Oviedoha obtenido la mencin

de Campus de Excelencia Internacional, y que de alguna forma ha motivado la seleccin de esta

leccin, quiero citar aqu a mis compaeros del equipo rectoral, en particular a Silvia Gmez Ansn,

Jos Manuel Cano Rodriguez y David Melendi Palacio, demostrando que no hace falta ir muy lejos para

encontrar la excelencia tanto en lo personal como en lo profesional y que, a pesar de todo, quedan

personas que todava suean con mejorar nuestra Universidad.

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

4/26

4

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

5/26

5

Quiero expresar en primer lugar el orgulloy la satisfaccin que me produce el estarpresente en este acto tan entraable e im-portante, como es la entrega de diplomasacadmicos a las nuevas promociones de

Ingenieros salidos de nuestra Escuela.

Quiero tambin agradecer a la Direccin dela Escuela, especialmente a su director y com-paero de promocin Hilario Lpez Garca,la deferencia que ha tenido al considerarmecomo merecedor del honor de impartir estaleccin, precisamente en este curso, en elque nuestra escuela, junto nuestro Campus,

comienza una nueva etapa de integracin enbusca de la excelencia.

Tambin es un ao especial para mi promo-cin de Ingenieros Industriales (yo soy de la2 promocin de esta escuela) ya que cele-bramos nuestras bodas de plata (que rpidopasan 25 aos).

Por si todo esto fuera poco, este ha sido elao en el que la Universidad de Oviedoha conseguido la mencin de Campus deExcelencia Internacionaly el haber tenidoel orgullo y la oportunidad de haber partici-pado en este proyecto es una inmensa satis-faccin personal.

Debe de llenarnos a todos de orgullo, mi-rar el mapa de los campus de excelenciaalemanes y franceses de los cuales el go-bierno espaol ha buscado sabiamente losingredientes para nuestra iniciativa nacional,de los primeros se importan los conceptos

de Centro Internacional de Posgrado,Escuela Internacional de Doctorado yClster de Investigacin, mientras quede los segundos se incorpora en conceptode Agregacin, que permita una masacrtica necesaria para lograr la excelencia,para luego mirar el mapa de Campus deExcelencia Internacionalde nuestro pasy ver a nuestra Universidad de Oviedoen

este lugar destacado.

Figura 1. Campus de Excelencia Internacional. Espaa ao 2010

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

6/26

6

Tambin en el mbito local de nuestro Cam-pus de Gijn y de nuestra Escuela de in-geniera, es precisamente el concepto deagregacin en busca de la excelencia loque hace este momento en el que estamos

tan especial. La Escuela Politcnica deIngeniera de Gijnrepresenta todos estosvalores de agregacin.

La agregacin no es tarea fcil, pero los in-genieros sabemos que los grandes proyectosdeben de realizarse en equipos multidisci-plinares donde la coordinacin y el trabajoen equipo son fundamentales.

Y si todos estos ingredientes no fueran sufi-cientes para realizar un guiso excepcional,debe mencionarse un condimento adicional:La mencin de calidad de nuestro Clsterde energa, medio ambiente y cambioclimtico.

La Universidad de Oviedoen su proyecto

de Campus de Excelencia Internacionaltena que seleccionar una lnea de trabajoestratgica que la condujera a la excelenciay esto, como bien sabis, no es tarea fcil.En la Universidad de Oviedohay gruposde investigacin excepcionales en todas lasramas del saber.

El perfil de transferencia de las reas de in-geniera (y muy en particular el de nuestroCampus), nuestro tejido empresarial (Astu-rias huele a energa) y el importante apoyodel Principado de Asturiasy delAyunta-

miento de Gijn, han hecho que la apues-

ta premiada sea una con un perfil tecnolgi-co, fuertemente multidisciplinar y estratgico.Un Clster muy ligado a la ingeniera, muyligado a nuestro Campus y muy ligado anuestro Centro.

Todas estas cosas que he mencionado debenser un orgullo para todos y un acicate para

nuestros graduados que hoy vamos a poneren el mercado.

Vamos a centrarnos en la leccin que heseleccionado para este acto de entrega dediplomas.

Precisamente he seleccionado una leccinde mi campo de especialidad Electrnica

de Potencia y he querido enmarcarla de-liberadamente dentro de uno de los camposde trabajo ms interesantes del panoramatecnolgico actual, las energas renovablesy muy concretamente las energas que seobtienen del mar (lo que se denomina ha-bitualmente energas offshore apoyndose

TOPOLOGIA DE POTENCIA

CIRCUITO DE MANDO

FUENTEPRIMARIA DEENERGAELCTRICA

Alim. Realim. Gobierno

Red,Generador,AlternadorGenerador elicoBateraClula solarPila de combustible

CARGAS(ELEMENTOS PARAALIMENTAR)

Motores,Bateras,Iluminacin,Equipos,Traccin,Soldadura,Red

Figura 2. Energa y Electrnica de Potencia

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

7/26

7

como viene siendo habitual en el correspon-diente trmino ingls).

La Electrnica de Potenciase centra en elestudio de los circuitos y tcnicas que permi-

ten la manipulacin de la energa elctricautilizando semiconductores.

As, tendremos una fuente primaria de ener-ga (la red elctrica, es lo ms habitual, peropuede ser una batera, un generador elicoo cualquier otra de energa elctrica) quenos presenta la energa de una determina-da forma, y nosotros debemos ser capaces

de recogerla, de la forma ms eficiente po-sible, respetando los condicionantes y espe-cificaciones que esta fuente energtica nosimponga.

La energa recogida se entrega a una car-ga de potencia. Ejemplos hay muchos: Ilu-minacin, ordenadores, motores, baterasal cargarlas, la propia red al inyectar ener-

ga, hoy da casi todo precisa alimentacinelctrica: tensin estabilizada, protecciones,cambios de frecuencia, etc.

Todo esto se realiza mediante una topologa

de potencia (propiamente un circuito elec-trnico, de cuyo estudio es objeto la Elec-trnica de Potencia). En este circuito depotencia solo hay interruptores gobernados(semiconductores), inductancias, transfor-madores y condensadores. Idealmente nodebiera haber elementos disipativos, ya quese busca la eficiencia energtica ms eleva-da. Algunas veces parece mentira como tanpocos componentes pueden provocar tantosproblemas.

La estructura de conversin energtica, secompleta con un circuito de mando, que

habitualmente pertenece al campo de laElectrnica Analgica, de la InstrumentacinElectrnica o de la Electrnica Digital.

En estos casos, se utiliza la electrnica conun propsito distinto, para obtener y manipu-lar informacin y actuar de la forma necesa-ria sobre la topologa de potencia para ob-tener las prestaciones deseadas. Los grandes

avances en el campo de los microprocesa-dores y de los microcontroladores permitenla realizacin de estrategias de control de laenerga cada vez ms sofisticadas y presta-ciones funcionales cada vez mayores.

DC AC

INTERRUPTORESTTICOCONTINUA RECTIFICADOR

INVERSOR

REGULADOR DE ALTERNACICLOCONVERTIDOR REGULADOR DE CONTINUA

CONVERTIDOR CC/CC

INTERRUPTORESTTICOALTERNA

Figura 3. Conversiones energticas bsicas

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

8/26

8

Obviamente en el campo de laElectrnicade Potencia, especificaciones como rendi-miento energtico, peso, tamao, interferen-cias elctricas, electromagnticas, entre otrasmuchas son habituales. Tampoco debemos

olvidarnos de aspectos econmicos y de sen-cillez de fabricacin.

Las conversiones energticas bsicas estncondicionadas por la forma en la que se pre-senta la energa: en continua o en alterna.

De este modo los pasos de continua a alter-na se denominan inversores, mientras que

los que realizan el proceso contrario se de-nominan rectificadores.

Los estabilizadores de continua (con-vertidores continua-continua) y los re-guladores de alterna (cicloconvertido-res, controles diferenciales, controlesde fase) completan todas las opciones deconversin energtica.

Se incluyen habitualmente tambin, los inte-rruptores estticos, de continua o de alterna,que no representan expresamente una con-versin energtica, sino la conexin y desco-nexin de una carga de potencia utilizandosemiconductores.

Al pensar en electrnica, en general, nosviene a la mente siempre algo en miniatura,estamos pensando en los microprocesado-res, o en los amplificadores, o la electrnicapara las comunicaciones, o la instrumenta-cin electrnica y efectivamente esto es cier-to en los mundos en los que se ha populari-

zado esta electrnica.

El esquema elctrico de un microprocesadores increble y la densidad de transistores pormilmetro cuadrado se mide en millones.

Tendramos que utilizar un microscopio elec-trnico para poder visualizar uno de estoscomponentes.

UNO PEQUEON O P E Q U E O

UNO GRANDEN O G R N D E

Cortesa de NEC

Figura 4. Semiconductor Pequeo (MOSFET de 14 nm fabricado por NEC) y semiconductor grande (SCRfabricado por ABB para un rectificador trifsico de 500 MVA y 500 KV en Inga-Shaba, ZAIRE)

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

9/26

9

Incluso los componentes electrnicos de loscircuitos convencionales, montados sobre las

bien conocidas placas de circuito impreso,son elementos pequeos, hoy da una buenaparte con tecnologa de montaje superficial(SMD). Incluso las bobinas y transformado-res, que son siempre los elementos ms volu-minosos, tienen tamaos manejables.

Pero hay otros componentes electrnicos, losde la Electrnica de Potencia, espectacula-res e inmensos. Al verlos podra pensarse en

una estructura metlica de una obra o inclusode un edificio. Aqu en la figura se recoge untransistor MOSFET pequeo (canal de 14 nm)y un espectacular mdulo de varios SCR, paraun rectificador controlado de potencia.

Lo ms pequeo y lo ms grande se dan lamano en el mundo de la Electrnica de Po-tencia. Seguramente en este momento, haygrupos de trabajo buscando aumentar la es-cala de integracin de determinados compo-nentes electrnicos y, simultneamente, otrosgrupos buscan como poder disear y fabricarcomponentes electrnicos ms grandes y po-

derosos para poder manejar niveles de ener-ga cada vez mayores. Desde fuera podrapensarse: Estn locos estos humanos!

El Rectificador Controlado de Silicio (SCR), obien como se dice en terminologa inglesa, elThyristor, es el componente electrnico msrobusto que existe, y el que permite manejarniveles de potencia mayores (en la figura, te-

nemos uno de 3700 A con tensiones de blo-queo de 8 kV). El gobierno de estos elementosmediante fibra ptica, permite manejar nive-les de tensin de miles de voltios y niveles depotencia de millones de VA con relativa natu-ralidad y sencillez.Pero este es un campo que est en continuaevolucin, el mundo de los altos niveles depotencia, hasta hace poco confinado al usode diodos de potencia y SCR, ve aparecer

Cortesa de SIEMENS

Figura 5. SCR con disparo de fibra ptica (Tensin

de bloqueo de 8 kV y corriente de 3700 A)

Figura 6. Una comparativa de semiconductores de potencia

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

10/26

10

nuevos dispositivos de prestaciones cada vezmayores, que permiten juegos energticos

cada vez ms sofisticados y que hoy da es-tn siendo el motor del desarrollo tecnolgi-co en el mundo de la energa elctrica.

Podemos citar en esta leccin al transistorbipolar de puerta aislada, IGBT (InsulatedGate Bipolar Transistor) que irrumpe conmucha fuerza en el mundo de los acciona-

Cortesa de ABB

mientos elctricos y en el de la transmisinde energa a largas distancias, como vere-mos posteriormente.

Tambin se debe mencionar el IGCT (Inte-

grated Gate Commutated Thyristors), com-ponente derivado del GTO (Gate Turn-Off)y que van comiendo terreno y acercndosepoco a poco a los niveles de potencia delSCR, aportando mayores prestaciones y po-sibilidades. Algunos de estos dispositivos nisiquiera tienen, de momento, una traduccinal espaol consolidada. El desarrollo deesta parte de la electrnica, aunque menos

visible, es espectacular.

Haciendo mas las palabras del ingeniero deABB Mr Hansruedi Zeller:

Cuando comenz la historia de los semi-conductores de potencia nadie, ni en sussueos ms disparatados, habra imaginado

Figura 8. Empaquetado y refrigeracin de semiconductores de potencia

Figura 7. IGCT (Integrated Gate CommunicatedThyristors)

Cortesa de ABB

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

11/26

11

Cortesa de Siemens

que alguna vez se alcanzara semejante gra-do de complejidad, sofisticacin y sintonafuncional.

Tampoco podra haber pronosticado nadie,que en el camino entre la central elctrica y elconsumidor final la corriente elctrica circula-ra alguna vez a travs de uniones de silicio

No quiero cerrar este apartado sin men-cionar que la Electrnica de Potencia se

apoya en todas las ramas de la ingeniera.Los cables no son cables, son diseos deingeniera mecnica. Las asociaciones desemiconductores engranan tambin de lle-no con el mundo de la ingeniera mecnica.

La evacuacin de calor y el diseo de inter-cambiadores de calor y la cogeneracin sondisciplinas que deben contemplarse en estasinstalaciones.

Pinsese en una corriente de 2000 A circula-do sobre una unin de silicio con una cadaen conduccin de tan solo 1 V, hablamos de2 kW de energa que deben evacuarse en

calor, en un elemento que podemos tener ennuestra mano. Ingeniera trmica, fluidos,cogeneracin diseo mecnico, aislamien-to elctrico, aislamiento trmico, materiales,etc, casi todas las disciplinas de la ingenieraestn presentes en el mundo de la Electr-nica de Potencia.

No hablemos ya de bobinas y transforma-

dores, algunas imgenes de pequeas bo-binas de 150 mH, ms bien parecen fotosde un grupo de amigos bajo un depsito deagua, o las imgenes de transformadoresque parecen tradas de la guerra de las ga-laxias.

Incluso los cables elctricos, en este tipo deaplicaciones son elementos de alta tecnolo-ga, con problemtica de materiales, proce-dimiento de instalacin y de mantenimientode muy alta complejidad tcnica.

Dicho esto, tampoco debemos pensar queen la Electrnica de Potenciatodo es des-mesurado y descomunal.

Se puede decir que las necesidades de ma-nejar energa estn en lo pequeo, en lomediano, en lo grande y, por supuesto, enlo descomunal.

Figura 9. Inductacia de aire (150 mH, 500 kV y1800 A)

Figura 10. Cable submarino paralnea de HVDC

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

12/26

12

Tambin es Electrnica de Potenciala trans-misin de energa de poco mW para alimentarpequeos dispositivos como marcapasos o im-plantes electrnicos en el cuerpo humano, conproblemticas tecnolgicas que nada tienenque envidiar a las de grandes potencias.

Realmente, la Electrnica de Potenciaest

presente en toda la tecnologa, estamos ro-deados de tecnologa y, de momento, todohay que alimentarlo.

Fijmonos en los equipos domsticos (Ilumi-nacin, equipos de msica, televisin, video,electrodomsticos, ) con potencias del or-den de la centena de vatios.

Miremos a las aplicaciones industriales(cargadores de bateras, coches elctricos,centralitas telefnicas, motores,) dondelas potencias pueden alcanzar ya niveles dekilovatios.

As, hasta llegar a las grandes aplicacionesde la Electrnica de Potencia, la traccin

elctrica y la generacin, transporte y alma-cenamiento de energa, donde ya hablamosde niveles de potencia de megavatios, contensiones de miles de voltios y corrientes demiles de amperios.

Precisamente, la orientacin de esta leccinva para una de estas aplicaciones singula-

REDUCTORA(GEAR BOX)

RED ELECTRICA(GRID)

GENERADORASINCRONO

(ASYNCHRONOUS

GENERATOR)

ROTOR DE JAULA(CAGE ROTOR) BANCO DE

CONDENSADORES(CAPACITOR BANK)

TRANSFORMADOR(TRANSFORMER)

ARRANQUE

SUAVE(SOFT-STARTER)

ROTOR TRESPALAS

(THREE BLADED

ROTOR)

REDUCTORA(GEAR BOX)

RED ELECTRICA(GRID)

GENERADORASINCRONO

(ASYNCHRONOUS

GENERATOR)

ROTOR DE JAULA(CAGE ROTOR)

TRANSFORMADOR(TRANSFORMER)

VARIADOR DEFRECUENCIA(FREQUENCY

CONVERTER)

ROTOR TRESPALAS

(THREE BLADED

ROTOR)

Figura 11. En los primeros generadores elicos basados en motores asncronos (ao 1957), la electrnicade potencia estaba slo presente en el arranque suave (control de fase con SCR). El sistema deba operara velocidad constante.

Figura 13. Accionador basado en rectificadores controlados (Accionador LCI)

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

13/26

13

res, como es la generacin y el transporte deenerga con generadores elicos offshore, esdecir, instalados en el mar a kilmetros dela costa.

Y, dnde est la Electrnica de Potenciaen estas aplicaciones?

Pues bsicamente est en los propios ge-

neradores elicos, en las transformacionesenergticas necesarias para transportar laenerga por el mar hacia tierra y en la in-yeccin de esta energa a la red elctrica,con los niveles y restricciones que cada unode estos puntos imponga a la conversin

energtica, para que esta pueda ser lo mseficiente, robusta y econmica posible.

Comentemos brevemente algunos detallesy retos tecnolgicos en cada uno de estosapasionantes apartados, siendo conscientes,de que cada uno de ellos podra constituir uncurso completo de especializacin.

En las primeras propuestas de generadoreselicos (all por el ao 1957, no hace tan-to), la Electrnica de Potencia tena unatmida presencia, escasamente unos arran-cadores suaves basados en SCR. El motorasncrono de jaula de ardilla, el reductor,

REDUCTORA(GEAR BOX)

CONVERTIDORELECTRNICO

(POWER

CONVERTER)

RED ELECTRICA(GRID)

GENERADORSINCRONO

(SYNCHRONOUS

GENERATOR)

ROTOR BOBINADO(WOUND ROTOR)

TRANSFORMADOR(TRANSFORMER)

CONTROL EXTERNO DE LARESISTENCIA DE ROTOR

(EXTERNAL ROTORCONTROL RESISTANCE)

ROTOR TRESPALAS

(THREE BLADED

ROTOR)

Figura 14. Generadores elicos basados en generadores sncronos de rotor bobinado. El convertidor elec-trnico de potencia permite en control externo de la resistencia del rotor. Permite velocidad variable.(Fabricante VESTAS)

CONEXIN A RED CONEXIN GENERADORINDUCTANCIA

RED

GENERADOR

Figura 12. Eliminacin del banco de condensadores para compensacin de reactiva (velocidad fija, porejemplo fabricante Wind World) o inversor para control total (velocidad variable). Segunda generacin degeneradores elicos basados en motores asncronos.

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

14/26

14

banco de condensadores y transformadoresconstituan el alma de estos sistemas inicia-les de generacin de energa, que debantrabajar a velocidad fija, dadas las propiaslimitaciones del sistema para compatibilizarsu velocidad de giro con la frecuencia de tra-bajo de la red elctrica.

La introduccin de los variadores de frecuen-cia, para permitir simplemente la compensa-cin de reactiva del motor (continuaramosa velocidad fija) o para realizar el controlelectrnico completo de motor (podramostrabajar con velocidad de giro variable en elaerogenerador), representan las primeras y

sencillas mejoras que han venido de la manode la Electrnica de Potencia.

Aqu la evolucin ha sido muy importante,desde las primeras y robustas estructuras derectificadores controlados basados en SCR,que permiten el control completo del motor,hasta los ms modernos sistemas de inverso-res (como por ejemplo los nuevos inversoreselectrnicos multinivel, utilizando los nuevoscomponentes electrnicos como IGCT oIGBT).

Accionadores para generadores de hasta 5MW, proporcionando interface a la red elc-

CONVERTIDORELECTRNICO

(POWER

CONVERTER)

RED ELECTRICA(GRID)

GENERADORSINCRONO

(SYNCHRONOUS

GENERATOR)

IMANESPERMANENTES

(PERMANENTMAGNETISED)

ROTOR TRES

PALAS(THREE BLADEDROTOR)

NUEVA GENERACIN

SALIDA EN CONTINUA(DC OUTPUT)

Figura 16. Nueva generacin de aerogeneradores basados en motores sncronos de imanes permanentes(PMG), sin reductora (Direct Drive) y salida directa en continua para transmisin elctrica (propuestaWindformer de ABB)

REDUCTORA(GEAR BOX)

RED ELECTRICA(GRID)

GENERADORSINCRONO

(SYNCHRONOUS

GENERATOR)

ROTOR BOBINADO(WOUND ROTOR)

TRANSFORMADOR(TRANSFORMER)

ROTOR TRESPALAS

(THREE BLADED

ROTOR)

CONVERTIDORELECTRNICO

(POWER

CONVERTER)

Figura 15. Generadores elicos basados en generadores sncronos de rotor bobinado doblemente ali-mentado. El convertidor electrnico de potencia controla directamente la corriente del rotor. (FabricanteGAMESA)

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

15/26

15

trica a tensiones de 20 KV, son hoy da rea-lidades para los principales fabricantes (ABB,Siemens, .).

El uso de los motores sncronos, permitiendovelocidad de giro variable, ha venido tambinde la mano de los avances de la Electrnicade Potencia, como son los sistemas electr-nicos de control externo de la resistencia del

rotor (muy utilizado por el fabricante alemnVESTAS) o los sistemas con rotor doblementealimentado (utilizados por GAMESA).

Pero los grandes avances estn ahora encamino, el grueso del tamao, del peso, delvolumen y de los problemas de un genera-dor elico convencional, estn localizadosen elementos como reductoras mecnicas y

NUEVA GENERACIN

Figura 17. Comparativa entre las soluciones actuales y la nueva generacin de aerogeneradores basadosen motores sncronos de imanes permanentes (PMG), sin reductora (Direct Drive) y salida directa en con-tinua para transmisin elctrica (propuesta Windformer de ABB)

20 kVAC 132 kV

RED

SUBESTACINCOSTERA

SUBESTACINOFFSHORE

Figura 18. Transmisin de energa a tierra en HVAC

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

16/26

16

transformadores, principalmente, que repre-sentan un volumen y peso considerable.

La Electrnica de Potenciacombinada congeneradores elctricos de alta tensin, estnprovocando una verdadera revolucin en estesentido.

La posibilidad de desarrollar un motor sn-crono de imanes permanentes, que permitaeliminar la reductora mecnica, est ahoraen la mente de los principales fabricantes y

son el objeto de los nuevos desarrollos. Laelectrnica permite la eliminacin de la re-ductora mecnica, realizando una conexindirecta entre la hlice y el generador, permite

tambin el control preciso del mismo y nosahorra una conversin energtica, al imple-mentar una salida en continua de la energagenerada. Toda la infraestructura de conver-sin elctrica necesita reformarse como vere-mos posteriormente.

Los nuevos generadores desarrollados porABB (comercialmente Wind Power) avan-zan por esta senda y ya son realidades losprimeros prototipos a escala de 0.5 MW.

Una vez la energa ha sido generada pormedio de estas impresionantes instalaciones,

esta, debe de ser enviada a tierra e inyectadaa la red elctrica.

La Electrnica de Potencia vuelve a ju-gar su papel en la mejora de estos procesosenergticos.

Inicialmente puede pensarse que la trasmisinde energa podra realizarse por medio de

lneas elctricas convencionales (de hecho assucede para cortas distancias), la denomina-da HVAC (Transmisin en alterna y en altatensin).

DISTANCIA A LA RED

COSTEHVAC

HVDC

60 KM

Figura 19. Comparativa de coste respecto a la dis-tancia a la conexin de red para HVDC y HVAC.

=AC 20 kVDC 132 kV

=RED

SUBESTACIONCOSTERA

SUBESTACIONOFFSHORE

AQU HAY MUCHAELECTRNICA DE

POTENCIA

Figura 20. Transmisin alternativa en continua (HVDC)

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

17/26

17

Pero las largas distancias que se van im-poniendo para este tipo de instalaciones,adentrndose cada vez ms en el mar, juntoa la propia presencia hostil del medio mari-no, hacen que las prdidas de la transmisinde alterna (sobre todo las inductivas) hagancada vez ms interesante y rentable la trans-misin en continua y en alta tensin (HVDC).Hoy da esta frontera se marca en el mar

en torno a los 60 km, pero nuevamente losavances tecnolgicos de la Electrnica dePotencia van bajando paulatinamente esteumbral.

El avance tecnolgico hace que ya aparez-can las primeras instalaciones en HVDC entierra y para distancias relativamente cortas.

UO

0 60 120 18030 90 150

UO RECTIFICADOR

INVERSOR

I

V

+-

R

ST

L

BUS DECONTINUA

+

-

TRANSFORMADOR -

TRANSFORMADOR -

Figura 21. Rectificador controlado trifsico. Operacin en dos cuadrantes. Control con el ngulo de dis-

paro ( )

Figura 22. Combinacin de dos rectificadores controlados (12 pulsos) con transformadores estrella-estre-lla y estrella-tringulo para mejorar la corriente de lnea

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

18/26

18

I-

I-

ITOTAL

(a)

(b)

(c)

+

-

FILTROS

12 PULSOSPOSITIVO

12 PULSOSNEGATIVO

BUSDC

AC AC

Figura 23. Corrientes de lnea: (a) estrella-estrella, (b) tringulo estrella y (c) corriente de lnea total

Figura 24. Configuracin completa de un sistema HVDC basado en SCR

Claro, en la transmisin de energa en conti-nua (HVDC) si hay mucha electrnica, tantoen la estacin offshore (en el mar) como en

la estacin costera.

Para esta aplicacin la Electrnica de Po-tenciaofrece dos soluciones.

La ms convencional basada en rectificado-res controlados, circuitos electrnicos quepermiten la operacin en dos cuadrantes y

que se desarrollan entorno a robusto SCRcomo semiconductor principal.

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

19/26

19

Por otro lado, las modernas estructuras deinversores, que permiten la operacin encuatro cuadrantes y, por lo tanto, mayoresprestaciones y que se desarrollan en torno asemiconductores de ltima generacin como

el IGCT o el IGBT.

El rectificador totalmente controlado (basa-do en seis SCR o, como suele decirse, seispulsos) es una estructura bien conocida, quemediante el adecuado disparo de los SCR(ngulo de disparo) permite la operacincomo rectificador o como inversor (es decir,extraer o entregar energa a la red).

Desafortunadamente, las corrientes inyecta-das a la red elctrica son muy poco sinusoi-dales y dado los niveles de potencia que semanejan, implicaran distorsiones, prdidase interferencias inaceptables.

La combinaciones de estas estructuras contransformadores (estrella-triangulo y trian-

gulo-estrella) utilizando 12 SCR (o 12 pul-sos), va introduciendo complejidad al asun-to, a medida que se mejora la forma de la

corriente inyectada a la red.

Los sistemas de transmisin que se empleanen los parqus elicos offshore, utilizan dosbloques completos de 12 SCR con transfor-mador (una para la tensin positiva y otropara la negativa), incorporando adicional-mente filtros especficos para lograr que lasformas de onda sean lo ms sinusoidales po-sibles. Conceptualmente, son sistemas senci-llos, pero globalmente configuran un sistemade transmisin complejo y voluminoso.

Podemos mencionar aqu el proyecto Romu-

lo-Cometa (Siemens), que une Valencia conMallorca, mediante una lnea de HVDC de250 Km, con una potencia de 400 MVA auna tensin de 250 kV, utilizando esta tec-nologa.

La otra alternativa son los inversores, con-ceptualmente el procedimiento es an mssencillo.

Con ayuda de una inductancia entre la redy el inversor, se puede conseguir extraer o

Figura 25. Un proyecto HVDC en Espaa. Proyecto Rmulo-Cometa. Enlace Valencia-Mallorca. 250 KM,

400 MVA y 250 kV. (Cortesa de Siemens)

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

20/26

20

entregar energa con factor de potencia uni-dad, o cualquier otra posibilidad que desee-

mos implementar (comportamiento capaciti-vo o inductivo).

Permitiendo una flexibilidad y posibilidadessolo limitadas por nuestra imaginacin y por

nuestra capacidad tcnica para llevarlas acabo.

Figura 27. Inversor trifsico multinivel (6 niveles) con enclavamiento por diodo. Utiliza seis mdulos decinco IGBT.

INVERSOR

L

REDDC

VR VI

POTENCIA

INVERSOR

L

REDDC

VR VI

POTENCIA

VR

VI

IRVR

VIIR

(a) (b)Figura 26. Uso de un inversor monofsico para extraer energa de la red (a) o entregar energa a la red

(b) con factor de potencia unidad.

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

21/26

21

Las estructuras de inversores trifsicos multini-vel estn provocando una verdadera revolu-cin en el campo de la transmisin de energaen continua (HVDC) y, tambin, en el de lasenergas renovables en general, en la traccinelctrica, en los vehculos elctricos, etc.

Existen varias tcnicas:

Inversor multinivel con puentes encascada (Cascaded H-Bridges Multinivel In-verter ), que precisa trabajar con fuentes decontinua separadas.

Inversor multinivel con enclava-

FORMATERICA

COMPONENTEFUNDAMENTAL

FILTROFILTRO

GENERADOR REDCONTINUA

20 kV 50 Hz

Figura 28. Formas de tensin de una fase en un inversor trifs multinivel (6 niveles).

Figura 29. Un accionador basado en inversores multinivel (3 niveles) para un aerogenerador de 5 MW,salida en 20 kV. Los interruptores utilizados son IGCT. Cortesa de ABB.

miento por diodo (Diode Clamped MultilevelInverter - Neutral Clamped).

Inversor multinivel con enclava-miento por condensador (Flying CapacitorsMultilevel Clamped - Capacitor Clamped).

Profundizar es estas topologas y sus tcni-

cas de control caen fuera del objeto de estaleccin de entrega de diplomas y sera msbien objeto de un pequeo curso de espe-cializacin.

Un inversor trifsico de 6 niveles, precisade seis mdulos de cinco interruptores (por

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

22/26

22

==RED

SUBESTACINCOSTERA

=

=

=

=

=

=

=

=

=

CONVERSION AC/DC EN EL PROPIO AEROGENERADOR

NO HAY SUBESTACIN OFFSHORE!

Figura 31. Estrategia de futuro. Generadores de Imanes permanentes, con accionamiento directo, salidadirectamente en continua y sin subestacin offshore.

Figura 30. Conversin HVDC con rectificado-res controlados respecto a inversores (cortesa deSiemens)

ejemplo IGBT) y de una compleja estructurade control y de gobierno de cada uno de losinterruptores, por el contrario se pueden ob-tener formas de onda muy sinusoidales, conun excelente reparto de esfuerzos en cadauno de los interruptores.

El nmero de trabajos, publicaciones y de-sarrollos en este campo es de creciente ac-tualidad, haciendo felices a los expertos en

control y simulacin digital que han encon-trado en este tema un interesante campo detrabajo, abierto a complejas y elaboradastcnicas de control.

La transmisin de energa en HVDC por esteprocedimiento se abre camino frente al sis-tema convencional (en principio ms robus-to, pero sistema ms voluminoso y pesado).Solo hay que pensar en nombre comercialque ha dado a este sistema uno de los prin-cipales fabricantes como ABB: lo denominaHVDC LIGHT.

Estos nuevos sistemas, ms ligeros, de con-versin a alterna a continua (y viceversa) uni-do a los anteriormente desarrollos de moto-res asncronos de imanes permanentes y dealta tensin, son la antesala del futuro, don-de la conversin a continua est integradaen el propio aerogenerador y no hacen faltaconversiones energticas intermedias, en unmedio hostil como es el marino.

Algunos fabricantes como Siemens, ya ima-ginan un futuro con lneas de transmisin encontinua (autopista de tensin continua) inter-

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

23/26

23

Figura 32. Lneas de transmisin en continua que interconectan todas las fuentes europeas de energasrenovables?. Cortesa de Siemens.

conectando los sistemas limpios de generacinde energa y permitiendo un reparto y utiliza-cin ms eficiente de la energa generada.

Y con esto voy a acabar mi leccin, y quie-ro acabarla como la empec, enfatizando

la necesidad de la agregacin y de la multi-disciplinaridad de la que tanto sabemos losingenieros.

Habris visto que es este campo, como enotros muchos, la ingeniera electrnica, laelctrica, la mecnica, la mecnica de flui-dos, los materiales, la trasmisin de calor, lacogeneracin y un largo etctera se dan la

mano para abordar retos que estn en lafrontera de la tecnologa.

Quiero dejar constancia tambin, que es unasatisfaccin para un profesor de esta Escue-la, contactar con empresas que se dedicana actividades en este campo y encontrarsecon ingenieros formados en nuestra Escuela,que desarrollan exitosamente su actividad en

estos campos tecnolgicos tan punteros, apartir de la formacin que hemos sabido ypodido transmitirles.

En la Universidad hay y se forman per-sonas capacitadas para abordar estos y

otros retos tecnolgicos y tcnicos

Acabo con una imagen prestada por la

Universidad de Ciencias Aplicadas de Bre-merhaven Alemania. Entre otros temas, se

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

24/26

24

dedican a trabajar en temas de acuiculturaligados a parques elicos offshore y que, enprincipio, no son sospechosos de ser inge-nieros. La imagen reivindica a las grandesobras de ingeniera como parte integrante denuestra cultura (como las grandes catedraleso monumentos).

Figura 33. Las obras de ingeniera tambin son cultura. Aerogenerador del parque elico offshore alemn

ALPHA-VENTUS. Cortesa de University of Applied Sciences Bremerhaven.

Mucha suerte en vuestra actividad profesio-nal o acadmica que hoy empezis oficial-mente.

Muchas gracias a todos por la atencinprestada.

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

25/26

25

7/22/2019 Electronica de Potencia, Folleto

26/26