Al desarrollo de los elementos discretos y su integración en módulos, se debe agregar la integración que se ha producido con la electrónica de alta integración que ha desarrollado drivers y circuitos de control, microprocesadores y DSP de alta complejidad. Esta unión da enormes posibilidades en el diseño y construcción de equipos de potencia. El diagrama ilustra estos conceptos donde a los elementos de potencia se incluye la electrónica de manejo y control.

Una descripción rápida del diagrama indica que las fuentes de energía son principalmente dos: Energía Continua, desde baterías, y Energía Alterna, desde la red de distribución pública mono o trifásica, que es rectificada para obtener la tensión DC de operación. La transferencia de energía desde la fuente hacia las máquinas o consumo es realizada por señales de conmutación aplicadas a las compuertas de los dispositivos de potencia. Se incluyen:

• Complejos algoritmos de cálculo para estimar variables eléctricas y mecánicas del motor, a partir de sensores tales como encoders; y resolver la medición de algunas variables eléctricas, tensiones y corrientes.

• Convertidores de datos ADC y DAC para conocer las magnitudes de las variables en tiempo real y realizar los cálculos (son comunes los ADC multicanales con muestreo simultáneo de alta velocidad).

• Convertidor de potencia con funciones de manejo del factor de potencia y generación de armónicos inyectados a la red de distribución.

• Interfaces de comunicaciones (a sistemas de comunicación de datos, Fieldbus, CAN, incluso Ethernet).

• Optimización de los algoritmos de generación del PWM.

• Uso de módulos con la integración de los dispositivos de potencia y electrónica de alta densidad para los drivers.

• Requerimiento de potencia para estas aplicaciones desde las fracciones de kilowatts hasta los megawatts.

La integración de electrónica VLSI ha agregado niveles de inteligencia y sofisticación a los equipos de potencia, resultando en un eficiente y oportuno control de los equipos integrados a los procesos de producción automáticos. Los equipos controlan la transferencia de energía desde la fuente al consumo, usando dispositivos semiconductores que conmutan entre estados de conducción y no-conducción (on y off) en altas frecuencias. La introducción de los DSP para cálculos y resolución de algoritmos en alta velocidad ha posibilitado la realización de algoritmos de control digital precisos con capacidad de control de velocidad, torque y con una alta eficiencia en la conversión de energía.

Una de las capacidades de los equipos modernos es el manejo de los transitorios en la operación de las máquinas. Los DSP son tan rápidos en ejecutar los algoritmos de control que las situaciones de encendido, apagado y transitorios generados en la carga y fuente de alimentación son compensados y manejados evitando problemas y desperfectos en los equipos, máquinas y carga mecánica.

Reacciones menores que 1 ms ante stress mecánico son comunes de encontrar en los equipos industriales. Asimismo, respecto de las protecciones electrónicas sus reacciones son menores que los microsegundos.

Avance en el control de máquinas eléctricas

Una de las áreas que ha liderado el desarrollo de la Electrónica de Potencia, exigiendo dispositivos y módulos con mayores prestaciones y el desarrollo de circuitos VLSI específicos, es el control de la operación de máquinas eléctricas. En este sentido, los esfuerzos de técnicos e ingenieros han tenido sus frutos en el desarrollo de equipos con sofisticadas técnicas de control vectorial, los que aprovechando la versatilidad de la modulación PWM digital se han convertido en un método común de los equipos industriales para los inversores trifásicos, técnicas usadas tanto para las máquinas de inducción tradicionales como para los modernos motores de imanes permanentes.

Entre las técnicas básicas que se utilizan para el manejo del flujo de potencia desde la fuente hacia el consumo de control, se encuentran las tradicionales de retroalimentación y las nuevas de estimadores en lazo abierto. La segunda, el control del flujo de potencia para la operación de los motores de inducción, se realiza sin necesitar mecanismos de medición de las variables mecánicas velocidad y torque. Esto es posible por la integración de circuitos VLSI de altas prestaciones como son los DSP, los que mediante cálculos y operaciones de alta velocidad, usando las magnitudes en tiempo real de las tensiones y corrientes del inversor, posibilitan determinar los valores de las variables mecánicas y aplicar las señales de comando requeridas en cualquier instante.

El control de la frecuencia, magnitudes de tensiones y corrientes y formas de onda, ha logrado una mayor eficiencia y robustez en el manejo de las máquinas. Con esta técnica se ha conseguido una menor distorsión de armónicas en las tensiones y corrientes aplicadas a los enrollados de las máquinas y una mayor eficiencia en la transferencia de energía DC en AC, en comparación con las técnicas tradicionales de modulación de sinuosidad. Al control de la operación en estado de régimen, se ha agregado el manejo de los transitorios.

Nuevas áreas de aplicación

Otra de las áreas de aplicación se encuentra en la industria de los electrodomésticos, donde a pesar de que las potencias manejadas son pequeñas, del orden de los HP, los desafíos se encuentran en el desarrollo de dispositivos flexibles, posibles de integrar en diferentes electrodomésticos, con total seguridad para el usuario, de bajo costo, fácilmente controlables en lo posible con programas pregrabados. Entre estos dispositivos, se encuentran los equipos de aire acondicionado que por el consumo que demandan pasan a ser parte importante del gasto energético de hogares y oficinas. Los objetivos primarios son alta eficiencia energética, bajo costo y seguridad para el usuario.

Una de las industrias que está incursionando y que en el futuro lo hará con más intensidad es el área de los vehículos. La Electrónica de Potencia se está integrando en los vehículos tanto en la motorización, confort, monitoreo de operación, actuadores de asistencia en los sistemas de frenos, dirección, suspensión, transmisión, entre otros.

Uno de los conceptos interesantes introducidos en la industria de vehículos es el diseño y construcción de equipos y dispositivos electrónicos tolerantes a fallas, no sólo que protejan a los dispositivos, sino que el sistema pueda seguir funcionando a pesar de tener presente una falla o desperfecto. La inclusión de este principio en toda la industria tendrá como resultado la fabricación de equipos de altas prestaciones y confiabilidad.