Principios de funcionamiento

Principios básicos de los convertidores usados en los B2B.

En el esquema general de la configuración B2B se presenta en la siguiente figura.

Las conversiones de potencia se realizan hacia el DC Link (el condensador en el centro) desde las dos posible fuentes: la Red o el bobinado del Rotor, y también desde el DC Link hacia la Red o hacia el bobinado del Rotor.

Estas conversiones de potencia se realizan exclusivamente abriendo o cerrando conexiones directas entre estos tres puntos (Rotor, DC Link y Red). Los interruptores que realizan estas conexiones son IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor): dispositivos electrónicos a los que se hace funcionar como interruptores eléctricos que conmutan entre los estados de "conduciendo" y "abierto", con tiempos de respuesta muy bajos, del orden de los microsegundos. Cuando están en conducción la resistencia ohmica es muy baja, del orden de miliohmios, mientras que cuando están abiertos la corriente de perdidas es muy baja (alta impedancia). Cuando están en abierto existe un valor máximo de la tensión que pueden soportar sin entrar en una falla catastrófica. Existen varias familias, y el límite actual de esta tensión está entre 1.000 v y 3.300 v.

Tienen un límite en su capacidad de disipación, que depende del disipador al que está sujetos, de la resistencia térmica de esa unión y del tipo de evacuación de calor producido (forzada con un ventilador o con un intercambiador basado . La potencia disipada en estos IGBTs depende de la corriente que circula por ellos cuando están en conducción y del numero de veces por segundo que están en las fases intermedias de paso a conducción y paso a corte: esto hace que dicha potencia disipada dependa de la frecuencia a la que se les haga operar.

Como se puede ver en el esquema estos interruptores conmutan entre fuentes de tensión y su resistencia ohmica es muy baja: esta situación (conexión de dos fuentes de tensión, en principio con tensiones diferentes) no se puede sostener mucho tiempo porque la corriente por el dispositivo sería muy grande. La solución a este problema consiste en poner una inductancia en serie con el interruptor, ya que en estas circunstancias, esta inductancia limita la velocidad de cambio de la corriente que atraviesa el circuito.

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El objetivo de este circuito consiste en alimentar una carga (RL) a una determinada tensión (VO) a partir de una fuente (VI), cuyo valor es diferente de VO . Esta versión del circuito se utiliza cuando queremos que la tensión de la carga sea mayor que la fuente disponible ( VO > VI ).

El "truco" de este circuito consiste en utilizar la propiedad que tiene las inductancias para "almacenar" energía eléctrica (durante breves espacios de tiempo). Recordemos que un condensador es también un almacén de energía eléctrica: si lo "cargamos" (inyectamos corriente) hasta que en sus bornas tengamos una tensión determinada, y después lo desconectamos, el condensador "mantendrá" dicha tensión por un tiempo indefinido (si el condensador no tiene perdidas). Si el condensador tiene pérdidas o/y está conectado de cualquier circuito eléctrico su tensión irá decreciendo hasta que llegue a 0, disipando su energía en la carga representada por el circuito externo o sus propias pérdidas internas.

Una forma de ver este comportamiento del condensador consiste en considerar que, cuando está cargado, se opone a cualquier cambio en su tensión, y la forma de reaccionar es "soltando" corriente, tanto más cuanto mayor sea nuestro empeño en hacer un cambio rápido de tensión.

Las inductancias se comportan de una manera análoga, pero cambiando tensión por corriente. Es decir, si queremos que por una inductancia circule una determinada corriente (IL) tenemos que aplicar un cambio de la tensión en sus bornas con una cierta velocidad de ese cambio. Una vez que esta IL circula por la inductancia, si intentamos hacer un cambio en dicho valor, la inductancia reaccionará haciendo variar la tensión en sus bornas, oponiéndose a dicho cambio. Un caso común es el circuito eléctrico que alimenta las bujías de un motor de explosión de gasolina. Dicho circuito consiste en una bobina que es periódicamente conectada y desconectada de la batería. Durante la fase en que está conectada a la batería, la corriente a través de ella crece; cuando se separa la reacción es subir (extraordinariamente) la tensión en bornas, de forma que es mucho mayor que la tensión de la batería, en un intento de mantener la circulación de corriente previa. Esta subida de tensión dura muy poco tiempo. De esta forma podemos generar con un circuito muy simple altas tensiones (> 15.000 V) a partir de una batería de 12 V.

La relación entre tensión en bornas y el cambio de corriente por unidad de tiempo en una inductancia viene dado por la siguiente formula:

En el circuito anterior el mecanismo de control para pasar de VO a VI consiste en controlar cuanto tiempo y cuando debemos mantener los interruptores abiertos o cerrados. El algoritmo de control se divide en dos etapas: a) carga de la inductancia, b) trasferencia de la energía cargada en la inductancia a la carga.

Utilizaremos un circuito equivalente teórico del anterior para hacerlo más comprensible.

En esta situación habrá un incremento progresivo de la corriente que atraviesa la inductancia, en la dirección indicada en la figura.

Un determinado tiempo después, abrimos el IGBT y lo que ocurrirá es que habrá un flujo de corriente (ID) en la dirección indicada en la figura debido a que la tensión de la borna derecha de la inductancia crecerá debido a la oposición de ésta al cambio, de manera que un cierto tiempo después dicha tensión será superior a la tensión en el condensador: cuando eso ocurra el diodo se comportará como un cortocircuito y por tanto permitirá que la corriente de la inductancia (que momentos antes circulaba por el IGBT) a partir de ese momento circule por el diodo al condensador y la carga. La parte de corriente que circule por el condensador incrementará la tensión en bornas del mismo.

Es decir, en esta fase tenemos una trasferencia de la energía eléctrica almacenada en la inductancia L al circuitor formado por la carga RL y el condensador C. La energía que pasa a la carga se disipa, mientras que la que pasa al condensador queda almacenada en él. Esta última energía es la que "alimenta" a la carga durante la fase A, cuando está desconectada de la inductancia.

El valor de la tensión "promedio" en el condensador (VO ) respecto de la tensión de la fuente de energía (VL) dependerá del valor de L, C, RL y de los tiempos relativos de las fases A y B.

Dicho de otro modo: si disponemos de un circuito con una instalación fija (L y C), gestionando la relación de tiempos de las fases A y B podremos variar la tensión en la carga; o también, podemos adaptarnos a cargas variables (RL) cambiando también la relación de tiempos de ambas fases.

Si en el circuito anterior eliminamos el condensador de salida y el diodo, es posible ir variando la tensión en bornas de la carga. Para ello solo es necesario que la frecuencia de señal que gobierna los IGBTs sea muy superior a la frecuencia deseada en la carga (según el criterio de Nyquist, al menos dos veces la frecuencia de la tensión deseada en la carga). La siguiente figura muestra el ejemplo más simple, en donde la relación de tiempos de las fases A y B es de 1 (iguales). La tensión en bornas de la carga corresponde con la linea negra. La línea gris (la deseada) se obtiene introduciendo filtros. El efecto de estos filtros es pasar la tensión en las zonas marcadas en vede a las zonas marcadas en azul.

La forma de onda anterior se puede mejorar utilizando dos fuentes de alimentación conectadas en serie en vez de una sola, y conectando la carga al punto común entre ellas. Se obtiene de esta forma lo que se conoce como "tres niveles". Ver siguiente figura.

El siguiente circuito implementa esta idea creando las dos fuentes a partir de una sola y utilizando dos condensadores de idéntico valor (C1 y C2) en serie.

Similarme existen circuitos que añaden "niveles" con objeto de minimizar el contenido armónico: ver siguiente figura.

Esta aproximación requiere la generación de onda cada vez más complejas para excitar las puertas de control de los IGBTs. Ver siguiente figura.

Los anteriores conceptos se aplican a muchos tipos de convertidores, por ejemplo los utilizados para suministrar alimentación a frecuencia variable a motores de jaula de ardilla con objeto de poder controlar su velocidad de giro sin tener que perder potencia. Igualmente se utilizan en convertidores DC/AC, por ejemplo en fuentes de alimentación ininterrumpibles.

El caso de los convertidores que se utilizan en los B2B existen otros condicionantes importantes:

Para el caso particular de que la velocidad corresponda con la de sincronismo, la frecuencia de las señales del rotor es 0, es decir, corriente continua (en promedio), pero presentando una impedancia cuyo angulo es uno determinado, el cual depende de la potencia trasegada por el Generador.