electronica de potencia i

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ELECTRONICA DE POTENCIA I UniversidadFrancisco de Paula Santander Facultad de Ingenieras Ingeniera Electrnica Ingeniera Electromecnica 1 UNIDAD I CONCEPTOS BASICOS DE ELECTRONICA DE POTENCIA 2 1.1 NATURALEZAY APLICACIONES DE LA ELECTRONICADEPOTENCIA LaElectrnicadePotenciaes unsaberdelaingeniera,que utiliza los conceptos, mtodos y teorasdela Electrnica(analgicaydigital), laTeoradeControlyla Electrotecnia(circuitos, medidas, y mquinas elctricas, sistemasdedistribuciny transmisin),paraconvertiry controlarlaenergaelctrica disponible,generalmente alternatrifsicaomonofsica condiferentesnivelesde voltaje,enlaclasedeenerga requerida por la carga. Electrnica De Potencia Circuitos Semiconductores componentes Electrnica Y Dispositivos La electrnica de potencia moderna seorigina ,conlainvencin delSCR en1958porGeneralElectric.EnaossucesivosaparecenelTRIACy otrosthyristores,ysedesarrollanlostransistoresdepotencia(BJT, MOSFET, IGBT). Finalizando la dcada de los 80s aparece el MCT.Loscircuitosdecontrolseoptimizanenladcadadelos90sconlas tecnologas FPGA y ASIC. Elpropsitodelaelectrnicadepotenciaseobtienemediantelos sistemasdeelectrnicadepotencia,quesecaracterizanporunaalta eficiencia. Laaltaeficienciarepercuteenahorroenelconsumodeenerga,y ademslasbajasprdidasdepotenciapermitenreducirelvolumenyel peso del sistema de electrnica depotencia(S.E.P.) Fig 1.01 La Electrnica de Potencia(6). 3 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.2 SISTEMA DE ELECTRONICA DE POTENCIA (SEP) Energa elctrica disponible Filtro De Entrada ConvertidorCircuito depotencia Filtro De Salida Actuadores De los DSP Circuito de ControlTransductores Carga Flujo de PotenciaEnerga elctrica modificada y controlada Fig. 1.02 Diagrama de bloques de un SEP(5) 1.2.2 FUNCIONES Y ELEMENTOS DELOS BLOQUES DE UN SEP 1.2.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DENOMINACIONFUNCIONELEMENTOS Filtro de Entrada Reducirlacantidadde armnicosdecorrienteenla fuenteyminimizarlas interferencias electromagnticas. Capacitores Inductores Convertidor (circuito de potencia) Transformar la naturaleza de la energaelctrica,utilizando dispositivossemiconductores depotencia(DSP)como interruptores. Thyristores Transistores de potencia Hbridos Filtros de Salida Adecuarlaformadeondade voltajedelconvertidor,al requerido por la carga Capacitores Inductores Actuadores de los DSP Adecuarenpotencialas sealesdecontrol,alosrequerimientos de los DSP. Transformador de pulso Optoacopladores Transistores Circuito de controlImplementarlaestrategiade control del convertidor Microcontroladores Electrnica discreta Transductores Transformarlasvariables mecnicas,elctricas, trmicas,etc,delacarga,en seales elctricas. Transformadoresde instrumentos Termistores TacmetrosEncoders CargaTransformarlaenerga elctricaenenergamecnica, qumica, lumnica, trmica. Motores Hornos Lmparas 4 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.3 FUENTES DE ENERGIA PRIMARIA 1.3.1 RED DE SUMINISTRO DE VOLTAJE ALTERNO a)Acometida subterrnea(10)b)Acometida area(10) Fig 1.03 Acometidas en bajatensinSedisponedeunareddevoltaje alternodef=60hz,enlospases americanoscondiferentesniveles devoltaje;Enbajatensinse normalizanlossiguientesvoltajes; 120,120/240,208/120.480/227 voltios. Laalimentacinenbajatensinse realiza mediante acometida area o subterrnea.Losconductores areosdelaacometida,vandesde unpostehastaelcontador elctrico. Enlaacometidasubterrnea,se conectanlosconductoresalas lneasreasdedistribucin,yse bajanporunatuberahastatierra, ysellevanenformasubterrnea hasta el contador. Enlasinstalacionesindustrialesse disponeatravsdeuna subestacinde13,2o34,5kv,de voltajesenmediatensinde 440/254o480/277v.Elvalorlmitede perturbacin del voltaje es 10% delvalornominal,eldela frecuenciaes1Hzyel desequilibrioadmitido es 2%. 5 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.3.2 BATERIAS a) Estructura fsicac) Circuito equivalente para el modo activo (fuente)(6). Fig. 1.04 Circuitosequivalentes de la batera decido plomo. b) Circuito equivalente para el modo pasivo (carga)(6). Rdes Son fuentes de energa recargables. Las ms comunes son las de plomo cido y la de nquel cadmio; por consideracioneseconmicas,la msutilizadaesladeplomo-cido, conformada por un nodo de bixido deplomo,ctododeplomoy electrolitodecidosulfricodiluido en agua. Elcircuitoequivalenteparamodo pasivo lo conforman: Vint= Potencial electroqumicointerno;dependede latemperaturaylaconcentracin delelectrolito;Rdes,modelael procesodedescargainterna;Rint, modelalaresistenciadelelectrolito ylaestructurainterna(celdas), dependedelatemperaturay concentracindelelectrolito.Cint modelalacapacitanciadelas placas; Rw y Lw, son la resistencia y lainductanciadeloscables externos. Enelcircuitoequivalenteenmodo activo,Vintrepresentalafuerza electromotrizinternadelabatera, denaturaleza,electroqumica; dependedelatemperaturaydela concentracindelelectrolito.Un valortpicodeRint=0,1,paralabaterade12voltios.Lwtienevalor de 500nH/m,cuando la relacin D/r =10;D=distanciaentrecables,r= radio de cable. 6 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.3.3 GENERADOR EOLICO(2) Fig. 1.05 Elementos de un aerogenerador.(2)Fig. 1.06 Conexin del aerogenerador a la red (2) Seutilizalaenergadelviento, paragenerarenergaelctrica. Loselementosdeun aerogeneradorson: Palas del rotor (PR): El diseo, es similaralaladeunavin,su longituddependedelapotencia (20 metros para 600Kw). Cajadetransmisin(CT)otren deengranajes,multiplicaporcasi 50lavelocidaddelaspalas.La tendenciaesaeliminarlaspara reducir peso y mejorar eficiencia. Elgeneradorasncrono(GA)o generadordeinduccin:la potencia actual es de hasta 4Mw. Laconexindelaerogeneradora lared(Fig.1.06),serealiza rectificandoelvoltajetrifsicodel generadorelico,yacoplandoel voltajeDCmedianteunconvertidorDC/AC(inversor),ala red alterna de suministro elctrico. Elcontroldelprocesode acoplamientosehacemediante un microprocesador 7 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.3.4 GENERADORFOTOVOLTAICO Fig. 1.07 Panel solar Fig.1.08 Sistema de generacin fotovoltaico(2) A. P. G. A. G. F. Cargas C. A. Cargas C. D. Red C. A. BaterasUtilizalaenergasolarpara generarenergaelctrica(DC), mediantemuchasceldassolares asociadas en serie y en paralelo. Latecnologaactualdelas celdasesenbasea semiconductores,ylaeficiencia esdel14al20%.Seinvestigala utilizacindemateriales orgnicos. Unalimitacindelsistemaessu costosuperior,conrespectoa otras alternativas de generacin. Un elemento esencial del sistema degeneracinfotovoltaico(Fig. 1.08)eselacondicionadorde potencia(A.P.)cuyasfunciones sonlaconversinCD/CAyla regulacin de carga de la batera. Elgeneradorauxiliar(GA) ,mayoritariamenteesungrupo electrgeno,quesirvede respaldo al generador fotovoltaico (GF)ylasbaterastienencomo funcin,regularlaproduccinde energadeacuerdoala demanda. 8 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS dtdvCdt) Cv ( ddtdqc i = = =1.04 MODELAMIENTO DE COMPONENTES ELECTRICOS YMAGNETICOS 1.04.1 EL CAPACITOR1.04.1.1 GENERALIDADES a) Geometra del capacitor de placas paralelas Fig. 1.09 El capacitorVQdAC =e=Elcapacitorestconformadopor2 placasconductoras,separadasporun materialdielctrico,endondese estableceuna polarizacin dielctrica. El valor de la capacitancia ideal es:

(1.01) = Permitividad elctrica del aislamiento. A = rea de las placas paralelas.d = distancia entre placas. Q = carga elctrica de cada placa. V = Voltaje aplicado a las placas. =Conductividad del dielctrico La corrienteque un capacitor intercambia con un circuitoes: (1.02) Seconocentresclasesdecapacitores: Dedielctriconormal,electrolticosyde doble capa. Elcapacitorrealdifieredelidealen4 aspectos:, a)ExisteiparaV = Vdc. b)ExisteunaLquepuedegenerar resonancia. c)Sedescarganaturalmente,al desconectarlodelafuente c) Presenta prdidas de potencia.,9 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.04 MODELAMIENTO DE COMPONENTES ELECTRICOS YMAGNETICOS 1.04.1.2MODELO CIRCUITAL DEL CAPACITOR(6) a) Circuito equivalente general de un capacitor b) Circuito serie normalizado Fig. 1.10 Modelo circuital del capacitor ) 03 . 1 (Ctan2CfR21R ESRwWo~e+ =) L 04 . 1 ( ESLW=) 05 . 1 (w1XRtanc= = oC L1wW>Las caractersticas reales del capacitorserepresentan,enelcircuito equivalente general (fig1.10 a). RwyLwmodelanlaresistenciae inductancia,delosalambres conductores de conexin. Rfmodelalaresistenciadefuga, responsabledeladescargadel capacitoryCes la capacitancia. Mediante asociaciones serie y paralelo delcircuitoequivalentegeneral,se puedereduciralcircuitoequivalente serie normalizado(fig 1.10 b)

ESR=Resistencia equivalente serie ESL=Inductancia equivalente serie

=ngulo de prdidas=Diferencia entre eldesfaseidealdelacorriente(90)y el desfase real Paraelcapacitorse comporta como un inductor ,10 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.04 MODELAMIENTO DE COMPONENTES ELECTRICOS YMAGNETICOS 1.04.1.3CLASES DE CAPACITORES a) Electrolticos b)Plstico Fig. 1.10 Clases de capacitores Loscapacitoressecaracterizanporlos siguientesvaloresnominales:Cn,Tole rancia deCn,Vn,Vp, In , Ifuga,yfactor de prdidas(tan ). Loscapacitoreselectrolticostienen comodielctricoxidodealuminio(fig 1.10a)ode tntalo.Tienenvalores altos de ESL, yESR(Rf es baja) , y su voltaje nominaleshastade500V,con capacitanciasdecientosdeF.Sonde bajaconfiabilidadyseaplicanenfiltros DCdeentradaysalida,yenprocesosquerequierantiemposcortosde almacenamiento de energa. Los de plstico tienen alta resistencia de aislamiento(pequeascorrientesde fuga)yaltatemperatura.Dependiendo delaarmadura,puedensertipo M(metal)oMKT(metalvaporizado).Los metalizadosdepoliester(fig1.10b) presentanbajosvaloresdeC(hasta 10F)yvaloresaltosdeVn(40Kv).Se aplicanenfiltrosDC,parasuprimirlos transitoriosdeconmutacin.ElMKTse utiliza en aplicaciones hasta de 600 V Losmetalizadosdepolipropilenotienen valoresaltosdeVneInyseaplicanen convertidores resonantes. Los cermicos(fig1.10c)tienen un rango deCentre1py1F,perovaran considerablementeconlatemperatura ,voltaje yel tiempo ,c)Crmico 11 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.4.2 EL TRANSFORMADOR1.4.2.1ASPECTOS CONSTRUCTIVOS Y OPERACIONALES a) Circuito b) Modelo del circuito magntico Fig. 1.11 El transformador Seformacon2circuitoselctricos, acopladosconuncircuitodematerial ferromagntico de permeabilidad. Elflujoencadenado()alcircuito1de N1 espiras es

(1.06) =flujo mutuo =flujo de dispersin del devanado 1 Para elcircuito 2 (1.07) Aplicando la ley de Ampereal circuito magntico, sobre la trayectoria medialm se obtiene: (1.08) (1.09)

Reluctancia del circuito magntico A=rea seccional del circuito magntico El circuito equivalente dela ecuacin 1.09 se muestra en la fig. 1.11b 1 dm1 1 1N1u + u = u u = mu1 du2 2N2u = 2 dm2u + u = u

mi1Nm mAmBA2i2N1i1NmB= 9 u == + =} =} sds Jldl . H1i1N2i2NmR u12 = 9mINGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.4.2 EL TRANSFORMADOR1.4.2.1ASPECTOS CONSTRUCTIVOS Y OPERACIONALES a) Circuito c) Circuito equivalente Fig. 1.11 El transformador Se define:(1.10) De 1.06 y 1.10 (1.11) De la ley de Faraday De ec. 1.10 y 1.11

Se define (1.13 a) Por analoga se obtiene: (1.13b) 1 d 1N )2i2N1i1N (m1N1u + +9= 1i1 dL1 d 1N = udt2dim2N1Ndt1di)1 dLm21N(1V9+ +9=m21NmL9=1 dLmL11L + =dt2dim2N1N12L9=dt2di12Ldt1di)1 dLmL (1V + + =13 dt2di12Ldt1di)11L (1V + =dt2di22Ldt1di)21L (2V + =INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRNICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFP ) 12 . 1 (dt2d2N2V ;dt1d1Ndt1d1V|=u== De 1.14 y 1.15

(1.16) Enelprimariosereflejalaimpedancia delsecundario,multiplicadaporel cuadradodelarelacinde transformacin ( ) El transformador permite el cambio de la impedancia 2a2Z22I2V22I2V1I1V1Z a aaa= = = =1.4.2.2 EL TRANSFORMADOR IDEAL1.4.2.3 ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIAS Fig. 1.12 Modelo circuital del transformador ideal. Fig. 1.13 Transformacin de impedancias. 122121iiVVNNa = = =Conductor ideal: ;Material magntico ideal: Lospuntos de polaridad(), representanlos puntosdeltransformador,cuyospotenciales tienen simultneamente la misma polaridad. Si

De 1.09 (1.14)

De 1.12 (1.15) Lasecuaciones1.14y1.15,sonelmodelo matemtico del transformador ideal

0mi 0m mL = = 9 = = 2 1; 02d1d u = u = u = u = 1i2i2N1Na = =2V1V2N1Na = =0 =cur = 14 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.4.2.4 MATERIAL MAGNETICO REAL 1.4.2.5 MODELO DEL TRANSFORMADOR DE PERMEABILIDAD FINITAFig. 1.13 Curva de magnetizacin. Fig. 1.14 Flujos con finito. Fig. 1.15 Modelo circutal con finito. Semodelaeltransformadorconmaterial magntico real( finito), pero sin prdidas deenergaenelhierro(seignoran corrientesparsitasyelfenmenode histresis ) y conductor elctrico ideal.). De 1.09 (1.18) (1.19) (1.20) Silosvoltio-segundo()quese aplicanalprimario,durantemediociclo sobrepasanunlmite,Bseincrementa hasta alcanzarla saturacin(condicinde corto circuito) 0dL ,mi finitomfinito = 9 = 1N2i2N1i1Nmi+=}== dt '1VmL1midtmdimL '1V}=} = 2T0dt '1VA1N1Bs0dBdtdBA1N '1V0mL mi}dt1V+1v+2v) t (2i) (1t imu1 du2 duElmaterialmagnticoreal (finito)se caracterizaporlacurvaB-H(lnea mediadelacurvadehistresis).Bes proporcional alVoltaje inducido y H a Im; (1.17) es variable. Lacurvaselinealizaaunarectade pendientepromedia,yotrade pendientenula,(saturacin (Bs) HBAA= 1V2V'2V'1V1 dL1N2N'1i2imi15 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.4.2. 6 TRANSFORMADOR DEPULSOS (1) a) Circuito equivalente. b) Circuito equivalente a BF. c) Circuito equivalente a HF. d) Formas de Onda Fig. 1.16 Transformador de pulsos. Seutilizaparaaislarelctricamente elcircuitodecontrol,delcircuitode potencia de un convertidor de E.P.Generalmenteelnmerodeespiras delprimario,esigualaldel secundario. Lafuncindeltransformadoresla detransmitirelpulsodecontrol,y convertirloenunpulsodedisparo del dispositivo semiconductor. Elvoltajeaplicadoaltransformador duranteeltiempoquedurelaseal decontrol,debesatisfacerla ecuacin 1.20 ,para que el ncleo no se sature (1.21) Alaplicarleelpulso,el transformadorsecomportade acuerdoalcircuitoequivalentepara altafrecuencia(HF),ypasadoel perodotransitorio,lasalidadel transformadorcorrespondeal circuitoequivalentedebaja frecuencia.(BF) C1yC2soncapacitanciaspropias decadabobinado,yCaesla capacitancia interdevanado. satBt0dt1VA1N1s }16 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.4.3 EL INDUCTOR 1.4.3.1ASPECTOS CONSTRUCTIVOS Y OPERACIONALES Un inductor es uncircuito elctrico (bobina)arrolladosobreunncleo magntico, de lminas de acero al silicio(bajafrecuencia),oferrita (altafrecuencia).Losncleos puedenserdediferenteforma: toroidal, E-E, EI, C, etc. AplicandolaleydeAmpereal inductortoroidal(fig 1.18). (1.22) Definicin :

(1.23) Ley de Faraday : (1.24) Lseoponealoscambios temporalesdei(inercia electromagntica).Si : Lasaturacindelncleo magntico equivale a cortocircuitar el inductor } }=sds Jmdl HmBNimH = =mnA2NinNBAiL= ==) i ( f L ) B ( f = = dtdiLdtdBNAdtd) t (LV = = =0LV 0dtdB) saturacin ( Bs B = = Fig. 1.17 Ncleos Magnticos Fig. 1.18 Inductor Toroidal 17 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.4.3.2 COMPORTAMIENTO DEL INDUCTOR 1.4.3.2.1 EXCITACIN SENOIDAL Fig. 1.19 Excitacinsenoidal Fig.1.20 Excitacin alterna cuadrada 1.4.3.2.2 EXCITACIN ALTERNA CUADRADA (1.25) La relacin VL/fdebe permanecer constante , para impedirsaturacin t Vsenw 2 ) t ( v =dtdBnNA =}=wt0) wt ( d ) wt ( sennWNAV 2Bwt cosmB wt cosnfNA 2V 2=t=mBnfNA 44 . 4LV V = =sBmB sa) Circuito b) Formas de onda v(t) =V 0 < t < T/2 (-V)T/2 < t < T

para

(1.26) t dtd) t (LV ) t ( VA A~= =minmax = A2Tt = Amax2 = AmaxBnNAmax = ) t ( v2TmaxBnNA 2LV . = ~maxB fnNA 4LV =18 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.4.6.3 PERDIDAS DE POTENCIA EN COMPONENTES MAGNETICOS PERDIDAS POR HISTERESIS PERDIDAS POR CORRIENTES PARASITAS Fig. 1.21 Lazo de histresisPERDIDAS EN EL COBRE Fig. 1.22 Corrientes parsitas Fig. 1.23 Efecto Piel Lasgeneranlascorrientesinducidas dentrodelncleoferromagntico,por elflujovariabledelcomponente magntico.Parareducirlasprdidas, seincrementalaresistividaddel material magntico(se adiciona silicio). En alta frecuencia se utilizan cermicas magnticas (ferritas). SegeneranporefectoJouleenla resistenciadelconductor.Laresistencia varaconlafrecuencia(efecto piel).Debidoa la inductancia interna de loshiloscentralesdelconductor,la corrienteseconcentraenlaperiferiadel conductor ,al aumentar la frecuencia. Se genera por el proceso de inversin no elstico de los dipolos magnticos, al invertirse H.

W disipada por ciclo = (volumen del ncleo)*(rea del lazo de histresis) * Volumen ncleo(1.27) 1.6 AKVAKVAKV000=>iiiof fSof fSonS000>>>AKVAKVAKV0GKi0GKi0GKi=000==>iiiof fSof fSonS00=>ii00AKvAKvof fSonS00>>AKvAKv00=>GKiGKi00=>ii02 1V02 1V02 1V>iiioffSonSonS0gi0 gi0 gi0gi0gi=>BiBi00=>CiCiof fSonS00s>GSVGSV00=>DiDiof fSonSof fSonSof fSonS00s>GEVGEV00=>CiCi00s>GSVGSV00=>DiDi22 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS Tabla 1.03 Caracterstica de control de dispositivos semiconductores. 1.5.3 CARACTERISTICAS DE CONTROL DELOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA(14) 23 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.6 CIRCUITOS EXCITADOS POR FUENTES CONTINUAS 1.6.1 CIRCUITO RC b) Forma de onda de Vc. a) Circuito. Fig. 1.26 Circuito RC. (1.31) (1.32) RCteSVRVRCteRSVi==( )RCtS Ce 1 V V =( )}= + + = = 0 tCV idtC1iRSV E0 ) 0 ( = = tcVSi( )t =te 1SVCVDefinicin:=Constante de tRC =En t=0+ el capacitor se comporta como un corto circuito. t=teRVsiRVsIm =Para Se considera ,el fin del procesotransitorio En, el capacitor se comportacomo un circuito abierto

Im310 7 i , 5 tIm 368 , 0 i , t = t == t =t 5 = tt =5 tPara t =, Vc = 0.632Vs tc) Forma de onda de ci24 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS Fig. 1.27 Circuito RL1.6.2 CIRCUITO RL Seconsideraelfindel proceso transitorio. En, el inductor se comporta como un corto circuito. Vs310 7LV , 5 tVs 368 , 0LV , t = t == t =t 5 = tt 5 = tt=teSVLVSi

(1.33) (1.34) Definicin:Constante de tiempo Para En t=0+ el inductor se comporta como circuito abierto. ( )tLRe 1SVRV =( ) 0 0 = = t i( )tLRe 1RSVi =tLReSVLV=RL= tt = tIm 632 , 0 )te 1 Im( i =t =RVsIm =Para) 0 t ( idtdiL iR Vs E = + + = =25 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS c) Forma de onda de Vc. a) Circuito. b) Forma de onda de i. Fig. 1.28 Circuito LC.) 0 t ( Vc idtC1dtdiLSV E =}+ + = =( ) 0 0 = = t i( ) 0 0 = = t VcEl circuito oscila con una frecuencia angular de . Setransfierelaenergadelcampo magnticodelinductoraladel capacitor y viceversa. (1.35)

(1.36) (1.37) En, se invierte el voltajeen el inductor, y el voltaje en el capacitor es la suma del voltaje de la fuente, msel del inductor. LC1Wo =tosenwLCVs i =tow cos VsLV=) tow cos 1 ( Vs Vc =2LCtt=1.6.3 CIRCUITO LC 26 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.6.4 CIRCUITO LC DE FUNCIONAMIENTO LIBRE Fig. 1.29 Circuito LCoscilante. a) Circuito. b) Forma de onda de i, Vc,VLEstecircuitoseutilizaparael apagadoforzadodelosSCR, cuadoseutilizanencircuitosde corriente continua. 0CVLV = +0 idtC1dtdiL = } +( )oCV 0 tCV = =soVcIssC1) s ( LsI 0 + + =|.|

\|+=LCs LCVIs120LCw120 =tow cosCoVLV Vc = =( ) tosenwLCocV t i =LCocVmI =( ) tosenwmI t i = = Frecuencia angular de oscilacin(1.38) (1.39) ow+27 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.7 MODELAMIENTO DE INTERRUPTORES 1.7.1 CARACTERISTICAS DE UN INTERRUPTOR IDEAL 1.7.2 CARACTERISTICAS DE UN INTERRUPTOR REAL 1.7.3 CARACTERISTICAS DE UN INTERRUPTOR EN CONMUTACION S abierto( i = 0 para cualquier Vab). S cerrado( Vab. = 0 para cualquier i). Fig. 1.31 Interruptor real. Fig. 1.30 Interruptor ideal. El interruptor conmuta a una frecuencia de conmutacin (fc) (1.40) Se define relacin de trabajo (D). (1.41) ton = tiempo que dura S cerrado toff = (1 D )Tc(1.42) toff= tiempo que dura S abierto. cT / 1 fc =TcontD =S abierto; i muy pequeo para S cerrado;,pequeo paraLosinterruptoressecaracterizanpor valoresnominalesdevoltajeycorriente, quenosepuedensobrepasar.Los semiconductores de potencia se comportan en un SEP, como interruptores reales.nomabV V snomI i s abV28 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS Fig. 1.32. Interruptor conmutado 1.8 CIRCUITOS CONMUTADOS CON EXCITACIN CONSTANTE1.8.1 CIRCUITO RESISTIVO1.8.2 CIRCUITO CAPACITIVO Fig. 1.33 Circuito resistivoFig. 1.34 Circuito capacitivo . a) Circuito no operativo. b) Circuito modificado Al cerrar S (1.44) AlabrirS,desapareceelcaminoparala corriente,yelvoltajedelafuentetiendea infinito. Se debe modificar el circuito, adicionando un resistor en paralelo a la fuente de corriente. Elvoltajeenelcapacitornoesperidico, sino que crece indefinidamente. tCIidtC1CV =}=} = ) (Tc0dtRVcT1RVDERV = ) ((1.43) = ) (RV Voltaje medio en el resistor 29 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.8.3 CIRCUITO INDUCTIVO Al cerrar S Si (1.45)

Al abrir S en t = t1 La corrientedesaparece sbitamente (1.46) Elcircuitonoesoperativo(colapsael aislamiento) Seadicionaenantiparaleloconel inductor, un dodo (dodo de rueda libre) paraquelacorrienteseaunafuncin continua (di/dtes de valorfinito).El dodoproveeuncaminoparala corriente Lacorrienteenelinductorcrece indefinidamente,alaumentareltiempo. Estecomportamientonoocurreenla realidad. ) 0 t (+=EdtdiLLV = = dtdi LV;1tLE)1t t ( i == 0 )1( =+= t t i0 ) 0 t ( i ==tLEi =Fig. 1.35 Circuito inductivoa) Circuito no operativo b) Circuito modificado c) Forma de onda de iL 30 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.8.4R LCONMUTADOEl dodo de rueda libre provee continuidad en lacorrientealabrirS.Enregimen permanentelaconmutacinperidicadel interruptor ,hace que las variables corriente y voltaje sean peridicas

(1.47) Elvoltajepromediodelinductorenrgimen permanente es nulo. Aplicando Kirchhoff para voltajes promedios (1.48) Para

(1.49) Para(1.50) CDT t 0 s sDTc t ; RLi EtLiL = A > < ~AA> >=< < + > =< >= < RLiRVLV DEdVRDELi >= < ~AAL) D 1 ( DETLiC= Aa) Circuito.b) Formas de ondaFig. 1.36 Circuito R L31 }+>= < = =}++ =T tt0LV LTLdi LT ttdtLVT) (tLi (t)LiINGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.8.5 CIRCUITORC Fig. 1.37 Circuito R Cconmutado b) Formas de onda en rgimen permanente a) CircuitoLa conmutacin delinterruptor hace que las variables de corrientey voltaje sean peridicas, con perodoigual al de conmutacin (1.51 Lacorrientepromediaenun capacitor en rgimen permanente es nula.AplicandoKirchhoffde corrientes, para valores promedios Para

(1.52) (1.53) ( )} += ) ( = = } +=+ =T tt0ci TcdV CT ttdtcidtcdV CciT tcV ) t ( VC2DIR2R2 RicVdVDI2 Ricidi= ) ( = ) ( = ) (= ) ( + ) ( = ) (CI ) D 1 (cDTcV2 RitcVC ;cT tcDTCcDT ) D 1 ( IcV2RdVItcVC= A> < =AAs s= A> < =AAcDT t 0 s s32 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS Se define por perodo de una seal peridica al intervalo de tiempo en el cual la variable adquiere el mismo valor V(t) = V (t + T) T = perodoLasealbipolarespositivay negativa dentro del perodo. Se define valor medio de la seal a (1.55) Si la seal es simtrica con respecto alejedelasabscisaselvalormedio es nulo. Se define valor eficaz o rms a (1.56) El valor eficaz se asocia a la transferencia de energa Para la seal alterna cuadrada (1.57) Para la seal senoidal (1.57b) medio ValorT0 VdtT1V}= >= = = = = = cossV2) wt ( d ) wt ( sensV1dVdIdiw210RLR 20 wL t ))si43 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.14.4 CONVERTIDOR CD/CA CONMUTACION A BAJA FRECUENCIA a) Circuito b) Voltaje de salida. Fig. 1.49 Convertidor CD/CA conmutado a baja frecuencia. aVaiSi es de baja frecuencia ,los interruptores conmutanabajafrecuencia.Los interruptoresdebentenercapacidad bidireccional de corriente.

(1.85) Elestado=0(S1yS3,oS2yS4 cerrados) tiene una duracin de 2.Sisepuedenignorarlos armnicos de (1.86) (1.87) (1.88) depende de la naturaleza de la carga. es la variable decontrol de la potencia w2RL t>>too tot21) (22 =} =dcVwt ddcVacV1cos2cos2 2) (2281cos21 1cos4) (220) (112 2) (111tan1)1(1u otuoto totttuuR wLVdcPaIaVP PdcVwt senwtddcVwt senwtdaV VaR wLaVaIRwLwt sen Iaai+== = ) (=} =}=+== =aV1uc)Formas de onda 44 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.14.5 CONVERTIDOR CD/CA CON MODULACION DEL ANCHODE PULSO a) Circuito de potencia b) Formas de onda en lacarga(5) c) Formas de onda del circuito de control(5) Fig. 1.50 Convertidor CD/CA PWM LosinterruptoresS1yS2 conmutan a alta frecuencia con una relacindetrabajo(d)variable segnunaleysenoidal.S3yS4 conmutanabajafrecuencia.S1 funciona con S4 y S2 con S3d(t) = K |sen(wt)|(1.89)K = magnitud de modulacin. Es la amplituddelasealrectificadade sen(wt) del circuito de control Lafrecuenciadelvoltajeenla carga es la de conmutacin de S3 y S4LaformadeondadeVdesta conformadaporpulsos,cuya duracinvaraconunaley senoidal,loquedeterminaqueel valor promediado durante el tiempo queduraelpulso(valorpromedio local)essenoidalElinductor actacomofiltroparalacorriente dealtafrecuencia.Laamplitudde lafundamentaldelvoltajeenla carga, se vara con K. Todos los interruptores deben tener capacidadbidireccionalde corriente,parapermitirelflujode potenciareactivadelacargaala fuente.

1S2S3S4Sdv+L R45 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.14.6 CONVERTIDOR CD/CA RESONANTE Utilizadosinterruptoresconmutadosy un filtro resonante(L-C)en serie conla carga ,cuya funcin de trasferencia vara significativamente con la frecuencia.

(1.90)

w=Frecuenciadeconmutacindelos interruptores=frecuenciaangulardel voltaje en la carga (1.91)

(1.92) =Amplituddelacomponentefundamental. Variandowseregulalapotencia entregada a la carga. Estatopologaseutilizaconalta frecuenciadeconmutacin,para aplicacin en hornos de induccin.

jwCR LC2w 1jwC) jw ( YjwCjwCR LC2w 1jwC1jwL R Z+ =+ =+ + =DCDCV41 aVacV) resonancia (owLC1w SiR ) jw ( YaVacV)6 , 3 , 1 nnwt ( sennV 4aVt= ~ = ===t=1 aV46 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.14.7 CONVERTIDORES CD/CD ALTA FRECUENCIA 1.14.7.1 CONVERTIDOR CD/CD DIRECTO D es la relacin de trabajo dey por sercomplementario,larelacindetrabajo dees 1 D.Silatransferenciadeenergaesde1 hacia2, se infiere: . Sedenominaconvertidordirecto,por quehayuncaminoparalacorriente DC entreel puerto 1 y el 2. (1.93) (convertidorreductor.)Sielflujo de energa es de 2 a 1, el convertidor es elevador. Paraminimizarelrizadodecorrienteen elpuertodeentrada(),secolocaun capacitoralaentrada,yparaminimizar elrizadodelvoltajedesalida(),se coloca un inductor en serie con la carga.Para minimizar el tamao del filtro (L, C),seutilizanaltasfrecuenciasde conmutacin, en el orden de decenas de Khz,.Unaaplicacintpicadeeste convertidor(fly-back)esenlafuentede poder de TV, computadoras etc. 1S02i2v 01i1v < >02i 02V ; 01i 01V < > > >0 . 1 D 0 ;1DV2 sV2V,2V2VLV2 sVs s >= == >=< < + > >48 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 2 si1.14.7.2 CONVERTIDOR CD/CD CON ENCADENAMIENTOCA a) Diagrama de bloques Fig. 1.54 Convertidor CD/CD con encadenamiento en CA. Losconvertidoresdealta frecuenciadeconmutacin tienenunlmiteparael voltajedesalida,debidoal parmetrodeesfuerzos (Vpico*Ipico)delos semiconductores. Paraobtenerrelaciones altasentreelvoltajede salidaaldeentrada,se utiliza. a) Un convertidor CD/CA b) Untransformadorpara cambiarelnivelde voltajeyaislar elctricamentelasalida de la entrada. c) Un convertidor CA/CD Ladesventajaeselmayor costoporduplicidadde semiconductores,filtrosy sistemas de control. DCDCACAC+1V+1 NV2 : 1 N N2 NV2V49 b)Formas de onda INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.14.8 CONVERTIDORES CA/CA 1.14.8.1 CONVERTIDOR CA/CA CONTROLADOR CA a) Circuito b) Forma de onda c) Factor de potencia Fig. 1.55 Controlador CA ElcontroladorCAeslatopologa mssimpledelconvertidor CA/CA.Semodificaelvoltaje eficazdeC.A.enlasalida, eliminando pedazos simtricos del semiciclopositivoydelnegativo del voltaje de entrada. (1.95)

Para carga resistiva (1.96)

,el ngulo de disparo,es un factor operativo. Lafrecuencia delvoltajede salida eslamismafrecuenciade entrada.Lapotenciareactivaque demandaestesistema,noest asociadaalageneracinde campos magnticos. Lasaplicacionestpicasdel controlador son para regular la luz incandescente(dimmer)ypara controlarlavelocidadde pequeosmotoresuniversales (mquinasdecoser,herramientas porttiles)

)22(12) (2 222oo tttotsensVwt wtd sensVoV+ =}=ot to2211 senSPpK + = =50 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS dvdvpkoSisecontrolaelngulo,alcualsecierranlosinterruptores()de acuerdo a una ley senoidal , = K senwt, la forma de onda de Vd se muestra en la fig 1.52c.El valor promedio local resulta una senoidal t1senw1V Vac=t2w2VdV sen =Vd1.14.8.2 CONVERTIDOR CA/CA CICLOCONVERTIDORSi los interruptores P estn sincronizadosconelinicio delsemiciclopositivoylos N con el inicio del semiciclo negativo(=0),laforma deondadeVdsemuestra en la fig1.55b. Si el filtrocumplecon V2es casi senoidal1222w RLwt t>> >>a) circuito c) Formas de onda con variandosenoidalmente Fig. 1.56 Cicloconvertidor b)Forma de onda con =0 51 Utilizaunatopologa idnticaalconvertidor CA/CD.ParaqueV2sea positivo,secierranlos interruptoresPcuandoV1 espositivo,ylos interruptoresNcuandoV1 esnegativo.ElvoltajeV2 sernegativosisecierran losinterruptoresPcuando V1esnegativoylosN cuando V1 es positivo. INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS UtilizaunconvertidorCA/CDyun convertidorCD/CAencadenados en CD, por un capacitor o por una batera.SielencadenamientoDC utilizauncapacitorV2yw2son diferentes de V1 y w1. Selconvertidorseutilizacomo variadordevelocidaddemotores polifsicosdeinduccin,V2yw2 debenservariablesysedebe mantenerconstantelarelacin V2/w2,paraimpedirlasaturacin delcircuitomagnticodelmotor, en el casoque se utilice el control escalarparalavariacindela velocidad SelencadenamientoDCutiliza unabateraysiV1=V2,el convertidorsedenominaUPS (sistemadepotenciano interrumpida),yseutilizapara alimentarlascargascrticasde unainstalacinelctrica,que requierendeunaconfiabilidadde 100%,enlacontinuidaddela energa (rea de quirfanos de un hospital,saladecomputacin, etc). 1.14.8.3 CONVERTIDOR CA/CA CON ENCADENAMIENTO CD a) Diagrama de bloques b) Formas de onda. Fig. 1.57 Convertidor CA/CA con encadenamiento CD. 52 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS Elconvertidordeelectrnicade potencia se conforma por una matriz de interruptores,queseimplementanpor dispositivossemiconductoresde potencia.Laimplementacindeun interruptorporundispositivo semiconductor, se realiza de acuerdo al siguiente procedimiento: a) Sedefinenparaelinterruptorla polaridaddelvoltaje(Vs)yla corriente (is ). b) Sedeterminadelcircuitoendonde seubicaelinterruptor,elgrfico Vs is c) SecomparaelgrficoVsisdel interruptor, con los grficos Vd id , delosdiferentesdispositivos semiconductores disponibles. Para el caso del interruptor N, de un convertidor CD/CD directo reductor, se muestra el grficoiN VNdel interruptor, y el grficoiD VD de un dodocon polarizacin directa. Al compararlos se concluye, que el grfico iN vNcorresponde al de un dodocon polarizacin inversa c) id vd de un dodo con polarizacin directa b) iN vN del interruptor N a) Circuito 1.15 IMPLEMENTACION DE UN INTERRUPTOR POR UN DISPOSITIVO SEMICONDUCTOR(5) Fig. 1.58 Implementacin del interruptor N en un convertidor CD/CD directo reductor. 53 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS BIBLIOGRAFIA 1GualdaJ.A.yotrosELECTRONICAINDUSTRIALTECNICASDE POTENCIA .Edicin1992 Editorial Alfa Omega

2)SeguiS.,GimenoF.J.yotrosELECTRONICADEPOTENCIA Fundamentos Bsicos 2004Editorial Alfa Omega 3)Dewan S. B.; Straughen A..POWER SEMICONDUCTOR CIRCUITS 1975 Editorial John Wiley 4)JaiP.AgrawalPOWERELECTRONICSYSTEMS.Theoryand design.2001 .EditorialPrentice -Hall 5)KassakianJ.G;SchlechtM.F;VergheseG.CPRINCIPLESOF POWER ELECTRONICS 1995 EditorialAddison- Wesley 6)KreinP.T.ELEMENTSOFPOWERELECTRONICS1998.Editorial OxfordUniversityPress. 7)EricksonR.W.MaksimovicD.FUNDAMENTALSOFPOWER ELECTRONICS.200. Editorial Kluwer Academic Publishers2003 8)MohanN.;UndelandT.M.;RobbinsW.P.POWERELECTRONICS 2003 Editorial John Wiley & sons Inc 9)R.G. Hoft(editor) SCR APPLICATONS HANBOOK 1974. Internatonal Rectifier 10)LeivaL.F.MANUALDEINSTALACIONESELECTRICAS2004 DOMICILIARIASEditada por Schneider Electric 11)RashidM.H.POWERELECTRONICS:CIRCUITS,DEVICES,AND APPLICATIONS 1993.EditorialPrentice-Hall 12)RashidM.H.(editor)POWERELECTRONICHANDBOOK 1993.www.rapidshare.com/filea/97921259.septiembre 24 2008

54 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 13)INDIANINSTITUTEOFTECHNOLOGYPOWERELECRONIC pdf.www.onlinefreebooks.net.Julio 13 2008 14)WilliamsB.POWERELECTRONICSDEVICES DRIVERS,APPLICATIONS AND PASSIVE COMPONENTS Editorial Mc. Graw-Hill.1992 15)W.Shepherd,L.N.Hulley,D.T.W.Liang.POWERELECTRONICSAND MOTOR CONTROL 1995. Cambridge University Press 55 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS ACTIVIDADES TEORIA 1)Describir la naturaleza y el propsito de la Electrnica de Potencia 2)DibujareldiagramadebloquesdeunSEP,yexplicarlafuncinde cada bloque y enumerar los elementos que lo conforman. 3)Porqusenormalizanlosvaloreseficacesdelosvoltajesenlas redes de servicio?Cual es el criterio para utilizar estos voltajes? 4)Dibujar e interpretar los circuitos equivalentes en modo activo y pasivo de la batera cido-plomo 5)Dibujaryanalizarlaconexindeunaerogeneradoralaredde servicio elctrico. 6Qu es un panel solar?Cmo se conecta un sistema fotovoltaico con la red de servicio elctrico? 7)Cmo se define un capacitor ideal?Cuales son las diferencias con el capacitor real? 8)Dibujar e interpretar el circuito equivalente general del capacitor real y deducirapartirdeestecircuitoelequivalenteserie.Proponerun procedimiento experimental para determinar el circuito equivalente, 9)Qu es el ngulo de prdidas de un capacitor?Cmo se define? 10)Describir aspectos constructivos ,caractersticas y aplicaciones de los capacitores de :a)Electrolticos. b) Plstico. c)Cermica. 11)Culessonlosflujosmagnticosqueseoriginanenun transformador?Por qu se originan? Qu representan? 12)Quseentiendeporcorrientedemagnetizacindeun transformador?Cmo se define?Qu representa? 13)Escribirparaelprimarioyelsecundariodeuntransformador,las ecuaciones que describen su comportamiento desde la teoracircuital14)Dibujar e interpretar el modelo circuital del transformador ideal. 15)Qu se entiende por acoplamiento de impedancias? 16)Dibujareinterpretarlacurvademagnetizacindeunmaterial magntico real. 17)Dibujareinterpretarelmodelocircuitaldeuntransformador,con permeabilidadfinitaeignorandolasresistencias.Proponerun procedimiento experimental para determinar el circuito equivalente 56 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS ACTIVIDADES TEORIA 18)Qusituacinconducealasaturacindeltransformador?Cules son las consecuencias? 19)Interpretarlaformadeondadelvoltajeenelsecundariodeun transformadordepulsos,utilizandoelcircuitoequivalentedel transformador de pulsos. 20)Deducir el valor de la inductancia de un toroide. 21)Deducirlacadadevoltajeeninductorexcitadopor:a)Unvoltaje alterno senoidal;b)Un voltaje alterno cuadrado 22)Definirparauncomponentemagntico:a)Prdidasporhistresis ;b)Prdidas por corrientes parsitas, c)Prdidas en el cobre. 23)Paracadaunadelasprdidasanteriores,sepidedeterminarlos factoresquelasdeterminan,eindicarlassolucionesquepueden aminorarlas. 23)Dibujar e interpretar el modelo circuital de un inductor real. Proponer unprocedimientoexperimental,paradeterminarelcircuitoequivalentedelinductor real. 24)DemostrarqueelArea-productodeunncleo,esdirectamente proporcional a la inductancia del inductor construido sobre ese ncleo. 25)Dibujareinterpretarlacaractersticav-idelossiguientes semiconductoresdepotencia:SCR,Triac,GTO,MCT,IGBT,MOSFET canal n; BJT pnp.26)Dibujareinterpretarlacaractersticadecontroldelossiguientes semiconductores :SCR,GTO,MCT,IGBT 27)Cules son las diferencias entre el interruptor real y el ideal?. 28)Cmo se caracteriza a un interruptorconmutable? 30)Demostrarqueenuncircuitoconmutado,elvalorpromediodel voltajeenuninductoryelvalorpromediodelacorrienteenun capacitor ,son nulos. 31)Para el circuito R- L conmutado (fig 1.36a), se pide demostrar que la variacin de corriente en la carga, es menor al aumentar la frecuencia de conmutacin. 57 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS ACTIVIDADES TEORIA 32)Paraformasdeondaperidicassepide:a)Definir :1)Perodo;2)Voltajeeficaz;3)Voltajepromedio;4)Factorderizo;5)Factor deforma;6)ValorpromediolocaldeunavariableconmutadaPWM; b)Indicarunaaplicacinparacadaunodelosconceptosdefinidosen a).c)Cul es la relacin entre el factor de forma y el factor de rizado? 33)DemostrarqueenuncircuitoR-Lconfuentealternasenoidal,la potencia reactiva no transfiere energa. 34)Porquesposiblecompensarlosrequerimientosdepotencia reactivadeuninductor,conlosrequerimientosdepotenciareactivade un capacitor.? 35)Deducir paso a paso, la ecuacin 1.77. 36)DefinirparaunSEPlossiguientesconceptos:a)Factordepotencia; b)Factor de distorsin; c)Distorsin total de armnicas. 37)Deducir la relacin entre el THD y Kd de un circuito. 38)Por qu en un SEP se deben instalar filtros a la entrada y salida del convertidor?Cul es la funcin de estos filtros? 39)Para el convertidor CA/CD no controladode 4 interruptores ,se pide :a)Justificarquelosinterruptoressepuedenimplementarpordodos. b)Determinarel factor de rizo y de forma ,del voltaje de salida. 40)Para el convertidorCA/CD no controladode2interruptores(fig 1.47 a)se pide determinar: a) el factor de potencia de la fuente; b)Cmo se puede implementarlas 2 fuentes utilizando un transformador? 41)Para el convertidor CA/CD controlado(fig1.48 a) se pide:a)Describir laoperacin.b)Determinarlossemiconductoresquepueden implementarlosinterruptores.c)Porquelcircuitofuncionacomo inversorduranteuntiempolimitado?Qusedeberahacerparaque trabaje en rgimen permanente? 42)Para el convertidor CD/CAconmutado a baja frecuencia(fig 1.49a) se pide:a)Describirlaoperacin.b)Determinarlossemiconductoresque pueden implementar los interruptores, c) Deducir y analizar la expresin para la potenciatrasferida por el convertidor 43)ParaelconvertidorCD/CAPWM(fig1.50a)sepide:a)Describirla operacin. b)Cmo se puede variarla magnitud del voltaje de alterna? Justificar la respuesta. 58 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS ACTIVIDADES TEORIA 45)ParaelconvertidorCD/CAresonante(fig1.51a)sepide:a)Describir laoperacin.b)Deducirlossemiconductoresquepuedenimplementar los interruptores. c)Cul es el orden de las frecuencias a utilizar ?Por qu? 46)ParaelconvertidorCD/CDdirecto(fig1.52a)sepide:a)Deducirla relacinentreelvoltajedesalidayeldeentrada.b)Deducirlos semiconductores que pueden implementara los interruptores. 47)ParaelconvertidorCD/CDindirecto(fig1.53a)sepide:a)Indicarla razn para la denominacin de indirecto. b)Deducir la relacin voltaje de salidaalvoltajedeentrada.c)Determinarlossemiconductoresque pueden implementar a los interruptores. 48)CuleslafrecuenciautilizadaenelconvertidorCD/CDcon encadenamiento CA(fig 1.54 a)?Por qu? 49)ParaelconvertidorCA/CAtipocontroladorCA(fig1.55a)sepide a)Deducirelsemiconductorqiepuedeimplementaralinterruptor. b)Determinarlapotenciareactivadelconvertidor?c)Cmoesposible que si la carga es resistiva, exista una potencia reactiva? 50)ParaelconvertidorCA/CAcicloconvertidor(fig1.56a)sepide :a)Describir la operacin b)Deducirque tipo de semiconductor se puede utilizar como interruptor. 51 En que casos se utiliza un convertidor CA/CA con encadenamiento en CD? 59 44)Hacer un anlisis comparativo entre el convertidor CD/CA, PWM y el de baja frecuencia de conmutacin. INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1)Serequieredeuninductordelas siguientes caracteristcas : L=50mH;f=9khz;V=20Vrms. (Excitacin senoidal) Seproponeparaconstruireste inductorunncleotoroidal,de materialpulverizadoanlogoal molypermalloydeMAGNETICS,de permeabilidadrelativade125,y densidaddecampomagntico mxima(Bmax)de0.15Tyconla siguiente geometra: Dimetro exterior=26.9 mm. Dimetro interno=11.1mm. Espesor=0.4mm. Area seccional rectangular Elbobinadoseconstruyeconun factordeutilizacinde0.4yse seleccionaunadensidaddecorriente paraelalambremagnetode500 A/(cm)2. Se pregunta: a)Sirveelncleopropuestopara resolver el problema? b)Cul es el calibre del conductora utilizaren el bobinado? c)Cuntasespirasdebetenerla bobina? d)Siseutilizaesteinductorcomo filtro(seconectaenserie,cualesel valor de la inductancia ? 60 PROBLEMAS INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 2)Lacaractersticadeplacadeun transformadordelminasdeaceroal silicio,muestralasiguiente informacin:500 VA,208/24 V,60hz. Semidelacorrientedevacoy resultade0.2A.Lacorrienteenel primarioalocurriruncortocircuitoen el secundario es de240 A , se pide: a)Dibujarelcircuitoequivalentedel transformadorignorandolas resistencias. Indicar los valores de los parmetros del circuito equivalente. b)Argumentarporquserequiere conocerlospuntosdepolaridaddel transformador. c)Sugerirunprocedimientopara determinar los puntos de polaridad del transformador. d)Culeselmximovalordevoltio-segundoqueselepuedeaplicaral trasformadorsiseasumequela densidaddecampomagnticode operacinesel80%delvalorde saturacin 61 PROBLEMAS +1v+2v) t (2i) (1t imu1 du2 duINGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 3)Para el circuito dela figuraadjunta, E=100V , R=20,D=0.4 y Tc=1ms. Se pide responder: a)Cul es la funcin del dodo?Qu ocurrira si no existiera? b)Selrizadopico-picodela corriente(i)esdel5%Cualdebeser el valor de la inductancia? c)Cualeslapotenciadisipadaenel circuito? 4)ParaelconvertidorCA/CD controlado de la figura adjuntavs= Vs senwt se pide determinar el factor de potencia de la fuente para: a)L muy grande b)L muy pequeo 5)ElSistemadeElectrnicade Potenciadelafiguraadjunta,presentalassiguientesvariablesde corriente y voltaje: Sepidedeterminar:a)Elfactorde potencia;B)Ladistorsintotalde armnicas 62 PROBLEMAS ) nwt ( sen1 nn80i ; senwt .. 2 120 v =t= =INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS Problema 3 Problema 4 Problema 5 6)EnelconvertidorDC/DCdelafigelflujodeenergaesdellado2al 1.L=10mH;V2=100V;I2=20A;V1=160V.Losinterruptoresconmutana20Khz ylavariacindelvoltajeenelpuerto de salida es 5%. Sepide: a)Deducirlosinterruptoresque puedenimplementaralos interruptores.b)Determinarlas relacionesdetrabajodelos interruptores.c)Determinarlamxima variacin decorriente en el puerto de entrada. d)Valor de la capacitancia. 7)Paraelconvertidorresonantedela figura adjunta, L=159H;C=0.25C; Vdc=100 ;R=5. Sepidedeterminarparala frecuencia deresonancia:a)Potenciaentregada alacarga.b)Amplituddelatercera armnica del voltaje en la carga. Silafrecuenciadeconmutacines tresvecesladeresonancia,cuanto vale la potencia entregada a la carga 63 PROBLEMAS INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS Problema 6 Problema 7 8)En el convertidor AC/DC de la figura adjunta, Vs=170sen(120t)V.R=5.La corrienteenlacargadebeser constante.LosinterruptoresPcierranenwt=30ylosNenwt=210.Se pide:a)Culdebeserelvalormnimo de la inductancia? b)Cul es elvalordepotenciatransferidaala carga.c)Culeselvalordela potencia aparente en la fuente? 9)ElconvertidorCD/CAdebaja frecuencia de conmutacin (60 hz) de lafiguraadjuntapresentalos siguientes parmetros: Vdc=100V; L=500mH;R=5;2=/6. Sepidedeterminara)Potencia transferidaalacarga.b)Deducirel tipodesemiconductorpara implementar los interruptores 64 PROBLEMAS INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS Problema 8 Problema 9 Unidad II DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA 65 Dodo Fig 2.01 . Smbolosde los dispositivos semiconductores. 2.0.1 CLASIFICACIN Laelectrnicadepotenciautilizalos dispositivossemiconductorescomointerruptores,operandoenunestadode alta impedancia (Bloqueo) y en otro de baja impedancia (Conduccin). Seclasificandeacuerdoasunaturaleza constructiva en: Dodos,Transistores,ThyristoreseHbridos entretecnologasdetransistorBJTcon MOSFET, y tecnologa transistor-thyristor Los dispositivos bipolares pueden ser Dedoscapas(dodo),trescapas(BJT)o cuatro capas (SCR).Eldispositivounipolarmsutilizadoesel MOSFETcanalN.Aventajaaldispositivo bipolaralnopresentarelfenmenode recuperacin inversa Segn el tipo de control se clasifican en : Dispositivos controlados por voltaje (dodo). Dispositivoscontroladosalaconduccinpor unpulsodecorriente(SCR,TRIAC)oun pulso luminoso (LASCR). Dispositivos controlados a la conduccin y al bloqueo por un pulso de corriente (GTO). Dispositivocontroladoalaconduccinyal bloqueo por un pulso de voltaje(MCT) DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES 66 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD II.UFPS c) transistores d) Hbridos Fig.2.01.Smbolosde los semiconductores. Dispositivos controlados a la conduccin por un pulsodevoltajenegativo,yalbloqueoporun pulsodevoltajepositivo(moscontrolledthyristor - MCT). ElMCTesundispositivohbridoconformado porunSCRydosMOSFET(fig2.01d).Su aplicacinsehalimitadodebidoala competencia del MOSFET Dispositivoscontroladosalaconduccinyal bloqueo,porunasealcontinuadecorriente (BJT) o de voltaje (MOSFET-IGBT). ElIGBT(insulated gate bipolar transistor) es un dispositivohbridodetecnologaBJTy MOSFET. Losthyristores(SCR,GTO-TRIAC,LASCR)tienencapacidadparasoportarvoltajes bipolares,ylostransistoressoportanvoltaje unipolar. SolamenteelTRIACtienecapacidadpara controlar corriente bidireccional. Debidoaproblemascomoeldelasegunda ruptura,y al fenmeno de recuperacin inversa, elBJTnoseutilizaenlosnuevosSEP,yse sustituyenenbajovoltajeporMOSFETyenvoltaje ms altos por IGBT 2.0.1 CLASIFICACIN 67 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD II.UFPS 2.0.2 DIODODE POTENCIA a) Estructura Fsica b) Smbolo. c) Caracterstica v-i Fig. 2.02. Dodo de potencia. Conpolarizacindirecta,eldodo comienzaaconducirdespusdel voltajeumbral(~1v)ylacorrientese rigeporunmodelolnealyno exponencial,comoeneldodode seal.Ellmiteoperativoenregimen permanenteconpolarizacininversa, es el voltaje inverso de ruptura(VRRM) Se clasifican enDodosdeusogeneral(trr~25s, If= = Vd,esto ocurreentrewt1= = =