electrotecnia variador de frecuencia
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UdelaR / FI / IIE – Electrotécnica I
Electrotécnica IIngeniería Química e Ingeniería Mecánica:
Plan: 97
Generalidades sobreElectrónica de
Potencia
Gonzalo Casaravilla
UdelaR / FI / IIE – Electrotécnica I
Contenidos en el programa del curso:
v Objetivos de la Electrónica de Potencia
v Clasificación de convertidores
v Convertidores conmutados por la red: Diodosy tiristores.Ø Convertidor ideal de 6 pulsos, 2 vías.Ø Funcionamiento, tensión de salida. Formas
de onda.Ø Influencia del convertidor en la red de
alimentación.Ø Aplicaciones.
v .Convertidores con conmutación forzada:Ø Inversor trifásico desde fuente de tensión
(VSI).Ø Diagrama de Potenciales.Ø Llaves apagables.
v Aplicación integrada: control de velocidad demotores de alterna.
UdelaR / FI / IIE – Electrotécnica I
1. Introducción
1.1. Definición de electrónica depotencia
Electrónica de potencia es el área dela electrónica que trata de laconversión y control de potencia(energía) eléctrica usando dispositivossemiconductores.
1.2. Áreas básica de la ingenieríaeléctrica
• Energía• Información• Materiales y componentes
La electrónica de potencia es unatecnología multidisiplinaria, en la cuallas tres tecnologías básicas juegan unpapel importante.
UdelaR / FI / IIE – Electrotécnica I
1.3. Conversión de potencia eléctrica
1.3.1.Definición:
ConvertidoresConvierten la potencia eléctrica decorriente y tensión determinada a otraforma de corriente y tensión.
Tratan de que se pierda elmínimo de energía, lo cualresulta en un menor calor adisipar: ¡costo!
UdelaR / FI / IIE – Electrotécnica I
CONVERTIDOR
PP: PERDIDAS
PE: ENTRADA PS: SALIDA
PE=PS+PP
Convertidor
1.3.2.Características de la conversiónde potencia eléctrica en electrónica depotencia.
Objetivo PEntrada = PSalidaPérdidas en componentes activos
(semiconductores) mínimas ⇒llaves ON-OFF
Conducción: ON (mínima resistencia)Corte: OFF (resistencia infinita)
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1.4. Diagrama de bloques de un sistema de electrónica depotencia típico
.
CONVERTIDOR FILTROSALIDA
FILTROENTRADA
CONTROL
REALIMENTACIONVARIABLESELECTRICASREALIMENTACIONVARIABLESMECANICAS etc.
APLICACION
DRIVERS
REFERENCIAS
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ü Convertidor de energía
ü Filtro de entrada: reduce la distorsiónen la fuente de entrada
ü Filtro de salida: reduce la distorsión ena salida del convertidor
ü Aplicación (eléctrica, mecánica etc..)
ü Comando de las laves (drivers):adaptación de señales, aislacióngalvánica.
ü Circuito de control: inteligencia delsistema.
ü Realimentación variable eléctrica
ü Realimentación variable mecánica
ü Señales de información y referencia(consigna)
ü Sistemas de protecciones
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1. 5. Aplicaciones de la electrónica depotencia
1.5.1. Fuentes de alimentaciónü DC: Cargadores de BATERIASü DC: Fuentes de computadoras,
electrodomésticos, etc.ü AC: Fuentes ininterrumpibles (UPS)
1.5.2. Aplicaciones a máquinaseléctricas
ü Control de velocidad AC, DC y paso apasoü Control de posición de motores AC, DC y
paso a pasoü Robots industriales
1.5.3.Sistemas eléctricos de potenciaü HVDC. Transmisión en continua (back to
back)ü FACTS. Flexible AC Transmission
Systems
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• FACTS. Flexible AC TransmissionSystems
BESS = Battery Energy Storage SystemIPS = Interphase Power ControllerIPC* = IPC with Power ElectronicsLTC = Transformer-Load Tap changerNGH = Hingorani DamperPAR = Phase-Angle RegulatorSCCL = Super-Conducting CurrentLimiterSMES = Super-Conducting MagneticEnergy StorageSTATCOM = Static SynchronousCompensatorSVC = Static Var CompensatorTCPAR = Thyristor Controlled Phase-Angle RegulatorTCSC = Thyristor Controlled SeriesapacitorTCVL = Thyristor Controlled VoltageLimiterTSBR = Thyristor Switched BrakingResistorTSSC = Thyristor Switched SeriesCapacitorUPFC = Unified Power Flow Controller
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1.6. Clasificación de convertidores
1.6.1 Sistemas básicos quesuministren la energía
ü AC: Tensión o corriente alterna sinusoidal
ü DC: tensión o corriente continua.
1.6.2. Clasificación por tipo deconversión
ü Rectificador (AC-DC)ü Inversor (DC-AC)ü Chopper (DC-DC)ü AC-AC
Cuadrogeneral
ENTRADA
SALIDA CA CC
CC Rectificador Chopper
CA DimmerCicloconvertidorConvertidor AC-AC
Inversor
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Simbología
DC/DCDIRECTO
∼
AC/DCDIRECTO
∼DC/DC C/ETAPA AC
∼
∼
AC/AC C/ETAPA DC
∼
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1.6.3. Clasificación por tipo de fuentede continua (DC)
ü Fuente de corriente -rígido encorriente
ü Fuente de tensión - rígido en tensión
1.6.4.Clasificación por el método deconmutación
¿quien determina cuando se prenden yapagan las llaves (switch) delconvertidor?
ü Conmutados por la red (red de CA)
ü Conmutación forzada o autoconmutados
ü Conmutados por la carga
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1.7. Componentes paraconvertidores
ideales - reales
1.7.1. Algunos dispositivossemiconductores de conmutación(suitch, válvula, llave)
¿quien los prende?
¿quien los apaga?
¿en que sentidos conduce?
¿es necesario mantener el comando?
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1.7.2. Diodo.
Prende y apaga con la carga. Conducciónunidireccional
1.7.3 . Tiristor
Prende por comando (si la carga lo habilita)y apaga con la carga. Conducciónunidireccional.
A (anodo) K(katodo)
I V V
I
A (anodo) K(katodo)
I
V
V
I
Ig
Ig
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1.7.4. Transistor de potenciabipolares - BJT
Prende por comando sostenido (corriente debase), conducción unidireccional.
1.7.5 . Mosfet de potencia
Prende por comando sostenido (tensión debase), conducción inversa por diodoparásito.
G
SD
VDS
Ic
IDS
VDS
Vg
Vg
B
ECV CE
Ic
Ic
V CE
Ib
Ib
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1.7.6. IGBT. Insulated gate bipolartransistor
Prende por comando sostenido (tensión debase), conducción unidireccional.
Es el semiconductor de mayordesarrollo actual.
G
ECVCE
Ic
Ic
V CE
Vg
Vg
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2.- Convertidores conmutados por laredü Rectificador (AC-DC)ü Conmutados por la red (red de CA)
Ø Rectificador monofásico de mediaonda (una vía) con diodos y cargaresistiva.
Ø Rectificador monofásico de mediaonda (una vía) con diodos, carga decorriente constante y diodo de ruedalibre.
Ø Rectificador monofásico de ondacompleta (dos vías) con diodos y cargade corriente constante.
Ø Rectificador monofásico de ondacompleta (dos vías) con tiristores ycarga de corriente constante.
Ø Rectificador trifásico onda completa(seis pulsos) (dos vías) con diodos ycarga de corriente constante.
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2.1 Rectificador monofásico de mediaonda (una vía) con diodos y cargaresistiva.
q Funcionamientoq Tensión media de salida
2.2 Rectificador monofásico de mediaonda (una vía) con diodos, carga decorriente constante y diodo de ruedalibre.
q Funcionamientoq Tensión media de salida
2.3 Rectificador monofásico de ondacompleta (dos vías) con diodos ycarga de corriente constante.
q Funcionamientoq Tensión media de salida
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2. 4 Rectificador monofásico de ondacompleta (dos vías) con tiristores ycarga de corriente constante.
q Funcionamientoq Tensión media de salida
2.5 Rectificador trifásico ondacompleta (seis pulsos) (dos vías) condiodos y carga de corriente constante.
q Funcionamientoq Tensión media de salidaq Corriente de líneaq Potencia consumida (DC y AC)q Generalización caso de usar tiristoresq Efectos del convertidor sobre la redü Armónicos de corrienteü Consumo de potencia reactiva
UdelaR / FI / IIE – Electrotécnica I
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3.- Inversoresü Inversor (DC-AC)ü Conmutación forzada o auto conmutadosü Fuente de tensión - rígido en tensión (VSI:
Voltage source inverter)
Ø Inversor monofásico VSI con dos ramasinversoras
Ø Inversor trifásico VSI con tres ramas inversoras
Ø Laves reales de una rama inversora de un VSI
3. 1 Inversor monofásico VSI con dosramas inversoras
q Carga de corriente alterna inductiva (retrasadarespecto a la tensión)
q Control por desfasaje de la tensión de salidaq Frecuencia de salidaq Tensión eficaz de salidaq Armónicos de tensión de salida
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3. 2 Llaves reales de una ramainversora de un VSI
Ø Ej: IGBT - Diodo antiparalelo
3. 3 Inversor trifásico VSI con tresramas inversoras
Ø Diagrama de potenciales
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4.- Aplicación integrada: control develocidad de motores de alterna.
Esquema genérico de un variador de frecuencia
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Esquema real de un variador de frecuencia
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