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La eficiencia energética de los convertidores estáticos
Por Cristián Guevara, Ingeniero Civil Electricista UTFSM, autor del libro “Métodos prácticos para lograr ahorros de energía eléctrica” – segunda edición.  •   expertos.eficiencia@gmail.com 

Por sus características de uso, accesibilidad de precios y necesidades de procesos, hoy en día resultan ser muy populares las aplicaciones de accionamientos de convertidores estáticos (rectificadores, variadores de frecuencia, etc.), y difícilmente se entiende el concepto de las pérdidas en estos equipos. En este breve artículo, se muestra el origen de las pérdidas en los convertidores estáticos y sus manifestaciones físicas.

Un convertidor estático está compuesto por semiconductores de potencia, además de circuitos de control y sistemas auxiliares. Al momento de funcionar, un convertidor estático tendrá las siguientes fuentes de pérdidas de energía:

a) Pérdidas asociadas a sus transformadores de alimentación (separadas en pérdidas de vacío y pérdidas con carga)
b) Pérdidas asociadas a los semiconductores (pérdidas de conmutación y pérdidas de conducción)
c) Pérdidas asociadas a los sistemas auxiliares (consumos propios de sistemas de medición, comunicaciones y control, sistemas de refrigeración, sistemas de frenado, etc.)

Desde el punto de vista del convertidor, supondremos que las pérdidas de los transformadores de alimentación corresponden a elementos externos al convertidor mismo, enfocando nuestro interés exclusivamente a las pérdidas asociadas a los semiconductores de potencia.


Pérdidas de conmutación


Cuando un semiconductor de potencia entra en conducción (estando inicialmente apagado), su estado eléctrico pasa desde el bloqueo (para un tiristor, por ejemplo, la corriente inicial será It=0) a la saturación (la tensión ánodo-cátodo Vak=0). La transición entre el estado de bloqueo al de conducción, aunque es rápida, no es instantánea; es del orden de los microsegundos, lapso durante el cual existe simultáneamente tensión y corriente entre los terminales del semiconductor, por lo que se disipa una cierta potencia en él.

Como un semiconductor tiene varias conmutaciones por segundo (en función de la frecuencia de la red, frecuencia del inversor y algunas consideraciones propias del accionamiento), se tendrá que solamente por efecto de estas transiciones, se genera calor en el semiconductor. A mayor frecuencia de conmutación, mayores pérdidas.


Pérdidas de conducción


Una vez establecida la conducción, ésta se mantiene por varios milisegundos, alcanzando la circulación de una cierta corriente por el semiconductor. Como físicamente la constitución del semiconductor se realiza por medio de junturas P-N (y sus combinaciones en función de la naturaleza del semiconductor -diodo, tiristor, GTO, IGBT, etc.-), la corriente enfrenta una cierta resistencia por el semiconductor durante el estado de saturación. Esta resistencia se conoce como “resistencia de conducción” y presenta disipación de energía en forma de calor.

Las pérdidas de un convertidor serán entonces la suma de las pérdidas de conmutación más las pérdidas de conducción del conjunto de semiconductores de potencia asociado a la configuración particular del drive. Si su convertidor opera a muy alta frecuencia, probablemente las pérdidas de conmutación serán más relevantes que las pérdidas de conducción. Si, por otra parte, se trata de un convertidor que opera con altas corrientes a baja frecuencia (por ejemplo, el caso de un rectificador de una electroobtención), seguramente las pérdidas de conducción serán más significativas que las de conmutación.


Generación de calor de un convertidor


Hemos visto que las pérdidas de un equipo se manifiestan en forma de calor. Justamente, el primer problema de un convertidor estático será la generación de calor y su disipación al ambiente. El calor generado en el convertidor será:



donde:

Q pérdidas: es el calor generado por el convertidor.
P total: es la potencia que pasa a través del convertidor.
? convertidor: es la eficiencia del convertidor.

Los convertidores tienen eficiencias muy elevadas (típicamente entre el 95% al 98%), pero también tienen eficiencia variable en función del grado de carga exigido y de la modalidad de funcionamiento que se tenga. Por ejemplo, un variador de frecuencia de 100 kW puede energizar un motor de inducción de 75 kW nominales con una frecuencia de conmutación de 2 kHz. Esta modalidad de funcionamiento será distinta, en general, de este mismo accionamiento funcionando con 60 kW de carga conmutando a 8 kHz.

Lo anterior indica que se debe retirar el calor generado de un convertidor por medio de un agente externo (aire o agua) para permitir mantener el control de la temperatura máxima de los semiconductores dentro de un rango seguro. Si se usa aire como medio refrigerante (típico en drives de baja potencia), la masa de aire que se necesitará en la refrigeración será:



donde:

m: es el flujo de la masa de aire [kg/seg].
Cp: es el calor específico del aire [kJoule/kg•°K] y su valor estándar es 1,005 [kJoule/kg•°C].
?T: es la diferencia de temperaturas entre el aire que entra y el que sale del convertidor.

Este calor interno generado por el drive necesita ser extraído por medio de un sistema de refrigeración, lo que implica gastos extras en sistemas de ventilación, refrigeración, etc., los que a su vez aumentan el calor neto de pérdidas.


Un caso de ejemplo


Supongamos tenemos un variador de frecuencia con una potencia máxima de 100 kW operando con una eficiencia del 95%. La temperatura de la sala donde se ubica este drive es de 40°C y la temperatura del aire exterior es de 20°C. La masa de aire requerida para disipar las pérdidas será;



El volumen y la densidad del aire dependen de la temperatura. La densidad del aire a 20°C es 1,205 [kg/m³] y a 40°C es de 1,127 [kg/m³].

El flujo de aire de refrigeración (a 20°C) es:



El flujo de aire de salida al ambiente (a 40°C) será:



La masa de aire que entra es la misma que la que sale, pero nótese que el flujo de aire frío de entrada (20°C) es distinto que el flujo de aire de salida (40°C).

Una vez más, la determinación real de la eficiencia de un accionamiento será difícil de medir, y requerirá de algunas de las consideraciones que hemos expuesto.

Septiembre 2012
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Comentarios acerca de este artículo
Mercy Anaya Estudiante (09/07/2013)
Esta muy interesante y práctico. ¿Puedo encontrar éste artículo en algún volumen de la revista?
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