Breve historia de la electricidad PDF

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Electronica de Potencia

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Lista 1- Lectura: Resumir En este resumen use solo dos caras de una hoja. Para realizar el resumen lea todo el contenido después escriba las partes más importantes que Ud. considera aprender.

Nota: Debe ser escrito a mano, recomendamos usar lapicero azul, y no use el color negro.

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1. Una breve historia de la electricidad industrial y la electrónica de potencia Las fuerzas de la naturaleza, desde el inicio de la civilización, se utilizaron para realizar trabajos que facilitaron la actividad humana. Ya sea por la fuerza del agua, el viento o los animales, la tecnología ha evolucionado para hacer posible que el hombre aproveche esta energía de manera controlada. La energía eólica, como es bien sabido, es estacional y un uso perenne solo es posible en unos pocos lugares. La energía hidráulica, aunque también sufre estacionalidad, está disponible de forma mucho más regular. Por este motivo, junto a cursos de agua se instalaron instalaciones industriales (como molinos y aserraderos). La invención de la máquina de vapor, en el siglo XVIII, hizo posible por primera vez que las instalaciones industriales se trasladaran a lugares más seguros, alejados de los cursos de agua.

Ya sea con máquinas eólicas, hidráulicas o de vapor, la transmisión de energía se hacía de forma mecánica, a través de ejes, poleas, engranajes, etc. El control independiente de cada tipo de maquinaria era, por tanto, más complejo y limitado en términos de flexibilidad de aplicación. En otras palabras, la energía mecánica no es un buen vector energético, es decir, es difícil llevarla de un lugar a otro y transformarla convenientemente.

Figura 2 Transmisión mecánica de la fuerza motriz: tracción animal, rueda hidráulica y máquina de vapor. Posiblemente la principal ventaja de la electricidad frente a otras formas de energía sea precisamente su “portabilidad” y facilidad de transformación. Es decir, es muy fácil llevar energía eléctrica de un lugar a otro y también transformarla en movimiento, luz, calor, etc. En este contexto, se considera que la electricidad es actualmente el mejor vector energético. Por otro lado, adolece de una limitación importante, que es la imposibilidad de almacenamiento directo en cantidades significativas. 2

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2. Electricidad La electricidad, como tema de investigación científica, se remonta al siglo XVIII. Desde la antigüedad, la producción de electricidad se ha realizado únicamente por medios electrostáticos, lo que significaba la capacidad de obtener un alto potencial eléctrico, pero dependiente fuertemente del proceso de descarga, es decir, no existía una fuente de potencial eléctrico mínimamente constante y, por tanto, el posibilidad de obtener una corriente constante de valor significativo.

Figura 3. Escena de la película “El joven Frankenstein” (Mel Brooks, 1974), en la que una descarga eléctrica da vida al nuevo ser. Sin embargo, Galvani no veía la electricidad como la esencia de la vida, creyendo que la electricidad animal provenía de los músculos. La divulgación de sus descubrimientos llevó a la invención de la primera batería eléctrica por Alessandro Volta2. Volta hizo observaciones sobre el trabajo de Galvani y realizó sus propios experimentos, concluyendo que las ranas no producían electricidad. Lo que sucedió fue que los metales utilizados para conectar los nervios y músculos de la rana generaban electricidad y el paso de la corriente provocaba las contracciones. Volta notó que las contracciones en los músculos de las ranas ocurrieron y continuaron mientras hubo un circuito y se usaron contactos metálicos heterogéneos. De esto concluyó que el principio de excitación residía en los metales. También concluyó que la corriente eléctrica surgía cuando estos metales estaban separados por un medio conductor, como ancas de rana o una solución salina, y el músculo funcionaba solo como conductor biológico y detector de la corriente eléctrica. En 1800 Volta idealizó la pila voltaica, presentando alternativamente discos de cobre y zinc, apilados en serie, separados por discos de fieltro empapados con solución conductora.

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Figura 4. Batería de volta Con este invento, los estudiosos de la electricidad pasaron a tener una fuente perenne de electricidad, lo que tuvo resultados revolucionarios en la evolución de este campo de investigación. La producción de electricidad a lo largo de la primera mitad del siglo XIX provino, por tanto, de reacciones electroquímicas, siendo fuente de Corriente Continua (DC). La primera batería recargable, del tipo de plomo-ácido, fue inventada en 1859 por Gaston Plantè. Las investigaciones llevadas a cabo en la primera mitad del siglo XIX dieron como resultado el descubrimiento de las leyes fundamentales del electromagnetismo. Los descubrimientos de Michael Faraday y Joseph Henry, de forma autónoma, en 1831, vinculando los fenómenos eléctricos con los magnéticos, abrieron las puertas a otras formas de producción de energía eléctrica, en mayores cantidades, y, por tanto, a la aplicación productiva de la electricidad.

Unos años más tarde, cuando se conoció la propiedad de los campos electromagnéticos de interactuar entre sí, produciendo una acción mecánica, se inició el desarrollo de los motores eléctricos. El desarrollo de los motores de CC comienza en 1832, con William Sturgeon. Siguieron los desarrollos de Emily y Thomas Davenport en 1837, que llevaron a un motor de CC de conmutador. Sin embargo, no había una fuente de alimentación adecuada para estos dispositivos. 4

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El desarrollo de los motores de CC comienza en 1832, con William Sturgeon. Siguieron los desarrollos de Emily y Thomas Davenport en 1837, que llevaron a un motor de CC de conmutador. Sin embargo, no había una fuente de alimentación adecuada para estos dispositivos. En 1856 Werner Siemens desarrolló una máquina electromecánica, a la que llamó “dínamo”, con el objetivo de reemplazar las baterías (que hasta entonces no eran recargables) en los sistemas telegráficos4. En 1867 perfeccionó la invención con la introducción de un sistema de autoexcitación, habiendo enunciado el principio de reversibilidad, es decir, que la misma máquina podía actuar como generador o motor. En 1869, Zenobe Gramme patentó la dínamo (generador de CC), aprovechando el principio de autoexcitación de Siemens y la invención de los anillos colectores por Antonio Pacinotti en 1865. Al conectar dos de estas máquinas en paralelo, solo una de ellas accionada mecánicamente , observó que la otra máquina había comenzado a girar y desarrollar torque sobre su eje, es decir, actuaba como un motor. Así, existía la posibilidad de generar electricidad a partir de una fuente de energía mecánica y en mucha mayor cantidad. La producción industrial de la dínamo Gramme comenzó en 1871. Más que eso, la experiencia de Gramme demostró que era posible transmitir energía eléctrica a través de cables conductores, es decir, era posible que la fuente de energía y las cargas ya no estuvieran presentes. mismo lugar. Durante la década de 1980, impulsada por el trabajo y las inversiones de Thomas Edison, se expandió la producción y el uso de electricidad en su forma CC. La transmisión de energía se realizó a distancias relativamente cortas, ya que el nivel de voltaje se redujo (110 V) por razones de seguridad. El aumento de la demanda de energía eléctrica y la necesidad de incrementar la distancia de transmisión apuntaron al aumento de la tensión, que enfrentó severas limitaciones en términos de aislamiento de conductores y protección de los usuarios. Al mismo tiempo, avanzaban los estudios para el uso de corriente alterna. En 1881, Gaulard y Gibbs construyeron un dispositivo que puede considerarse un transformador primitivo, con un núcleo abierto, que permitió obtener una tensión de salida CA aislada de la tensión aplicada a la entrada. Llamaron a este dispositivo un "generador secundario", que inicialmente se utilizó para alimentar lámparas de arco. La generación de voltaje de CA se realizó mediante dínamos, sin el uso del conmutador, recolectando el voltaje a través de anillos directamente en la bobina del rotor. En otras palabras, eran sistemas monofásicos. En 1884, Gaulard construyó una línea de transmisión de CA de 34 km de largo, 2 kV, 130 Hz. Sus “generadores secundarios” tenían los devanados de entrada conectados en serie y las salidas aisladas alimentaban las cargas al nivel de voltaje adecuado.

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Figura 6. Siemens y Gramme dínamo y dínamo de seis polos patentados por René Thury en 1883 En ese mismo año Galileo Ferraris desarrolló estudios sobre el dispositivo Gaulard y identificó la existencia de un desfase entre tensión y corriente, definiendo los conceptos de potencia activa y del factor de potencia. En 1885, Ferraris produjo un campo giratorio a partir de dos voltajes retrasados, siendo considerado, junto con Tesla, inventor de los motores de corriente alterna. Todavía en 1885, Otto Bláthy construyó un dispositivo con un núcleo magnético cerrado, llamándolo "transformador". La invención del transformador permitió, mediante el ajuste de relaciones de vueltas, la realización del concepto de transmisión de potencia en CA, con varios transformadores alimentados por la misma fuente de voltaje y con secundarios independientes.

Figura 7 "Secondary generator" de Gaulard y Gibbs8 (izquierda) y Transformer de Blathy9 (derecha) En 1888, Nikola Tesla inventó el motor de inducción. Tesla, en 1888, a través de dos registros de patentes la invención no solo del motor de inducción, indicando la posibilidad de utilizar un rotor bobinado o en jaula, sino también el motor de reluctancia variable y el motor de histéresis, este último con función de sincronismo con el campo giratorio. Aunque concedido en la misma fecha (1 de mayo de 1888) la patente para el motor de inducción se solicitó durante aproximadamente un mes después de los demás, tal vez indicando que los estudios de 6

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los fenómenos que llevaron a la producción de torque en el rotor continuaron incluso después del pedido inicial (que no se refería al motor de inducción).

Figura 8 Galileo Ferraris, Nikola Tesla y réplicas de motores de inducción Ferraris y Tesla

Figura 9 Ilustraciones de las solicitudes de patente para el motor de inducción (izquierda) y el motor de reluctancia variable (derecha). Otro nombre importante, Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky es considerado el creador del sistema trifásico y uno de los desarrolladores del motor de inducción, independientemente del trabajo de Tesla. Fue el inventor del transformador trifásico y del motor de inducción de cortocircuito (jaula de ardilla) . Desarrolló los estudios pioneros relacionados con las conexiones estrella-delta. El éxito del sistema trifásico se exhibió en Europa en la Exposición Electrotécnica Internacional de 1891, donde Dolivo-Dobrovolsky utilizó este sistema para transmitir energía eléctrica, a 40 Hz y 15 kV, a una distancia de 176 km entre Lauffen, sitio de la primera central hidroeléctrica trifásica, y Frankfurt, el recinto ferial. El sistema tenía una eficiencia del 75%. Los primeros motores de inducción trifásicos con rotor enjaulado tenían un par de arranque bajo, que Dolivo-Dobrovolsky solucionó con la inclusión de resistencias externas conectadas al rotor mediante anillos colectores. Su trabajo puede considerarse definitivo para la victoria del sistema AC sobre el CC en la llamada “guerra de las corrientes” 15. Las ventajas de utilizar CA para la transmisión y distribución de energía eléctrica hicieron que esta tecnología fuera responsable de la formidable expansión de la electrificación desde finales del siglo XIX.

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Sin embargo, el funcionamiento de los motores de corriente alterna a velocidad constante impedía su uso en aplicaciones vehiculares (trenes, tranvías, etc.) o en algunos procesos industriales, como los trenes de laminación. En estas aplicaciones, el motor de CC mantuvo su predominio, ya que su velocidad se cambió fácilmente, manteniendo la necesidad de suministro de energía en corriente continua, a potencias relativamente altas.

Figura 10. Dolivo-Dobrovolsky y las pioneras instalaciones hidroeléctricas en Lauffen, Alemania, en el río Neckar (1891). El generador a la izquierda y el transformador a la derecha.

3. El comienzo de la electrónica A principios del siglo XX, a partir de experimentos llevados a cabo por Edison, quien introdujo un electrodo con potencial positivo en su lámpara de filamento para evitar la deposición de material en la bombilla, Ambrose Fleming identificó la capacidad de este dispositivo para actuar como rectificador. Es decir, convertir la energía CA en CC. Dado que la producción de electricidad ya se realiza en CA, esta invención permitió procesar energía eléctrica para adaptarse a las cargas de CC. A principios del siglo XX, a partir de experimentos llevados a cabo por Edison, quien introdujo un electrodo con potencial positivo en su lámpara de filamento para evitar la deposición de material en la bombilla, Ambrose Fleming identificó la capacidad de este dispositivo para actuar como rectificador. Es decir, convertir la energía CA en CC. Dado que la producción de electricidad ya se realiza en CA, esta invención permitió procesar energía eléctrica para adaptarse a las cargas de CC. También se desarrollaron otros dispositivos rectificadores, como las válvulas de arco de mercurio, que son más adecuadas para aplicaciones de alta potencia debido a la mayor capacidad de corriente debido al plasma creado por el arco. Su uso permitió sustituir los grupos motor-generador para la producción de la corriente continua necesaria para los sistemas de tracción. En los años 20 del siglo pasado apareció el Thyratron, que no es un dispositivo de vacío, ya que su interior está ocupado por algún gas, responsable de incrementar la cantidad de iones y, en

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consecuencia, la capacidad de conducción de corriente. Su comportamiento es el de un interruptor que se activa mediante un terminal de activación. Con este dispositivo fue posible mejorar los procesos alimentados por CC, ya que fue factible ajustar el valor de voltaje y / o corriente mediante una rectificación controlada.

Figura 11. Ambrose Fleming y el diodo de vacío, vapor de mercurio Thyratron, utilizado hasta 1950 En 1925 se había registrado una patente (concedida en 1930 a Julius Edgard Lilienfeld, que se reproduce a continuación) que se refiere a “un método y un dispositivo para controlar el flujo de una corriente eléctrica entre dos terminales de un sólido conductor”. Esta patente, que puede considerarse la precursora de lo que se convertiría en los Transistores de Efecto de Campo de Unión (JFET), sin embargo, no resultó en un componente práctico, ya que no existía tecnología que permitiera la construcción del dispositivo, ni había material con la condición de conductividad necesaria para que el dispositivo funcione. Esto cambió desde finales de la década de 1940 en adelante, con la nueva tecnología de semiconductores.

Figura 12. Julius Edgard Lilenfeld y sus dibujos de patentes de lo que se convertiría, décadas después, en un JFET

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Patente del dispositivo que muestra el principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo.

4. De la electrónica de estado sólido a la electrónica de potencia En 1947, John Bardeen y Walter Brattain, que trabajaban en Bell Telephone Laboratories, estudiaron el comportamiento de los electrones en la interfaz entre un metal y un semiconductor. Al hacer dos contactos muy juntos, crearon un dispositivo de tres terminales con capacidad de amplificación. Bardeen y Brattain fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1956, junto con William Shockley, "por su investigación en semiconductores y el descubrimiento del efecto transistor". Shockley había desarrollado un transistor de unión, que se construyó a partir de capas delgadas de diferentes tipos de material semiconductor. Tales descubrimientos han llevado a un enorme esfuerzo de investigación en dispositivos electrónicos de estado sólido. A lo largo de la década de 1950, el trabajo se centró en la sustitución del germanio por silicio como elemento sobre el que construir dispositivos semiconductores. Las propiedades del silicio son muy superiores a las del germanio (en términos de fabricación de tales dispositivos), lo que permite una mayor capacidad de bloqueo de voltaje y conducción de corriente.

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Los primeros transistores tenían como principal aplicación la amplificación de señales. Aunque es mucho más eficiente desde el punto de vista energético en comparación con las válvulas, la aplicación a alta potencia no fue posible.

Figura 13. Reproducción del primer transistor. La alta eficiencia requerida en el procesamiento de la energía eléctrica significa que los dispositivos deben actuar como un interruptor cuando, idealmente, no disipan potencia, ya que presentan voltaje cero (cuando conducen) o corriente cero (cuando están abiertos). La transición de un estado a otro, idealmente, debería ser instantánea. El primer dispositivo de estado sólido, que marca el nacimiento del campo tecnológico que llamamos Power Electronics, fue el SCR (Silicon Controlled Rectifier), el nombre dado por General Electric en 1958. Era un dispositivo con el mismo comportamiento biestable del thyratron. Por esta razón, el nombre que se estableció para el componente fue Tiristor. El dominio de los procesos de purificación del silicio, junto con la profundización del conocimiento sobre los fenómenos de la física del estado sólido y los procesos microelectrónicos, permitió, a lo largo de los años 60 y 70, el aumento de la capacidad de control de potencia de los tiristores, alcanzando valores en el rango de MVA.

Figura 14. Publicidad del primer SCR (tiristor) de GE y dispositivos modernos En esa etapa, no hubo desarrollo de nuevas aplicaciones, sino la sustitución de dispositivos de vacío / gas o electromecánicos por tiristores, con ganancias en eficiencia y rendimiento, principalmente como rectificador (convertidor AC-DC) en el accionamiento de motores DC.

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En sistemas con corriente continua, como trenes , el uso de tiristores enfrentó dificultades, dada la incapacidad de este dispositivo para ser apagado por la acción del terminal de mando (puerta). Se desarrollaron estrategias para habilitar este tipo de aplicación. Los circuitos de conmutación ideados por William McMurray que permitían el uso del tiristor en CC, además de obtener una salida de CA de la entrada de CC, se remontan a principios de la década de 1960. Dichos convertidores tenían como objetivo reemplazar motores de CC por motores de inducción en aplicaciones de velocidad variable. Sin embargo, los problemas de complejidad y confiabilidad del circuito restringieron severamente las aplicaciones. La primera aplicación ferroviaria de un convertidor de potencia electrónico tuvo lugar en Japón en 1969, con el control del devanado de campo (mediante un convertidor CC-CC) de los motores de tracción CC. El uso de un motor de inducción en esta aplicación tuvo lugar en 1982. En Brasil, la modernización del transporte comenzó con los sistemas de metro a finales de los años 70. Las técnicas de conmutación forzada de tiristores cayeron en desgracia en la década de 1980 con el desarrollo del GTO (tiristor de apagado de puerta), que permitía tanto el disparo como el bloqueo controlado. Los GTO...