electronica potencia1 1

Escuela Politcnica Superior. Universidad de Jan (Espaa) Departamento Ingeniera Electrnica y Automtica

Juan D. Aguilar Pea Marta Olid Moreno

[email protected] http://blogs.ujaen.es/jaguilar/

Electrnica de Potencia Juan Domingo Aguilar Pea 2005

Escuela Politcnica Superior. Universidad de Jan (Espaa)

Departamento Ingeniera Electrnica y Automtica

Este manual electrnico llamado ELECTRNICA DE POTENCIA

tiene licencia Creative Commons

ndice General

Electrnica de Potencia

UNIDAD N 0. INTRODUCCIN A LA ASIGNATURA. EVALUACIN.

Tema 0.- INTRODUCCIN ELECTRNICA DE POTENCIA

UNIDAD N 1. REPASO DE CONCEPTOS Y DISPOSITIVOS

SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Tema 1.- REPASO CONCEPTOS: POTENCIA ELCTRICA. ARMNICOS.

Tema 2.- ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Tema 3.- DISIPACIN DE POTENCIA

UNIDAD N 2. AMPLIFICADORES DE POTENCIA

Tema 4.- AMPLIFICADORES DE POTENCIA

UNIDAD N 3. DISPOSITIVOS DE CUATRO CAPAS

Tema 5.- TIRISTOR. Tema 6.- GOBIERNO DE TIRISTORES Y TRIAC Y EJEMPLOS DE APLICACIONES

UNIDAD N 4. CONVERTIDORES

Tema 7.- CONVERTIDORES AC/DC: RECTIFICACION.

Tema 8.- FILTRADO Y FUENTES REGULADAS Tema 9.- CONVERTIDORES DC/DC Tema 10.- INTRODUCCIN A LAS CONFIGURACIONES BSICAS DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIN CONMUTADAS Tema 11.- CONVERTIDORES DC/AC: INVERSORES. MANUAL DE USUARIO


Prof. J.D. Aguilar Pea Departamento de Electrnica. Universidad Jan

[email protected] http://voltio.ujaen.es/jaguilar

UNIDAD N 0. INTRODUCCIN A LA ASIGNATURA UNIDAD N 1. REPASO DE CONCEPTOS Y DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA UNIDAD N 2. AMPLIFICADORES DE POTENCIA UNIDAD N 3. DISPOSITIVOS DE CUATRO CAPAS UNIDAD N 4. CONVERTIDORES

Tema 0.- Introduccin a la Electrnica de Potencia Introduccin. Concepto de electrnica de potencia. Evolucin tecnolgica y dispositivos. Convertidores. Ejemplos de aplicacin

0.1 Introduccin 1 0.2 Electrnica de potencia 1 0.3 Campos de aplicacin 2 0.4 Procedimientos de conversin 3 0.5 Requisitos del dispositivo electrnico de potencia 4 0.6 Componentes de base en la electrnica de potencia 4

0.6.1.- Comparacin de semiconductores con capacidad de corte 6

0.7 Evolucin tecnolgica de los dispositivos semiconductores 6 0.8 Clasificacin de los convertidores de potencia 8

0.8.1 Segn el modo de conmutacin 8 0.8.2 Segn el tipo de conversin 9 0.8.3 Segn el tipo de energa 12

TEMA 0: INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA DE POTENCIA

Universidad de Jan; J. D. Aguilar; M. Olid 1

0.1 Introduccin

La Electrnica de Potencia es la parte de la electrnica que estudia los dispositivos y los circuitos electrnicos utilizados para modificar las caractersticas de la energa elctrica, principalmente su tensin y frecuencia. Esta rama de la electrnica no es reciente, aunque se puede decir que su desarrollo ms espectacular se produjo a partir de la aparicin de los elementos semiconductores, y ms concretamente a partir de 1957, cuando Siemens comenz a utilizar diodos semiconductores en sus rectificadores. La Electrnica de Potencia se ha introducido de lleno en la industria en aplicaciones tales como las fuentes de alimentacin, cargadores de bateras, control de temperatura, variadores de velocidad de motores, etc. Es la Electrnica Industrial quien estudia la adaptacin de sistemas electrnicos de potencia a procesos industriales. Siendo un sistema electrnico de potencia aquel circuito electrnico que se encarga de controlar un proceso industrial, donde interviene un transvase y procesamiento de energa elctrica entre la entrada y la carga, estando formado por varios convertidores, transductores y sistemas de control, los cuales siguen hoy en da evolucionando y creciendo constantemente. El campo de la Electrnica de Potencia puede dividirse en grandes disciplinas o bloques temticos:

Fig 0.1 Bloques temticos que comprende la Electrnica de Potencia El elemento que marca un antes y un despus en la Electrnica de Potencia es sin duda el Tiristor (SCR, Semiconductor Controlled Rectifier), cuyo funcionamiento se puede asemejar a lo que sera un diodo controlable por puerta. A partir de aqu, la familia de los semiconductores crece rpidamente: Transistores Bipolar (BJT, Bipolar Junction Transistor); MOSFET de potencia; Tiristor bloqueable por puerta (GTO, Gate turn-off Thyristor); IGBT, Insulate Gate Bipolar Transistor; etc., gracias a los cuales, las aplicaciones de la electrnica de potencia se han multiplicado. Una nueva dimensin de la electrnica de potencia aparece cuando el control de los elementos de potencia se realiza mediante la ayuda de sistemas digitales (microprocesadores, microcontroladores, etc). Esta combinacin deriv en una nueva tecnologa, que integra en un mismo dispositivo, elementos de control y elementos de potencia. Esta tecnologa es conocida como Smart - Power y su aplicacin en industria, automovilismo, telecomunicaciones, etc. tiene como principal lmite la disipacin de elevadas potencias en superficies semiconductoras cada vez ms pequeas. 0.2 Electrnica de potencia El trmino Electrnica de Potencia cubre una amplia serie de circuitos electrnicos en los cuales el objetivo es controlar la transferencia de energa elctrica. Se trata por tanto de una disciplina

Electrnica Industrial

Aplicaciones a Procesos Industriales


Electrnica de Regulacin y Control

Convertidores de Potencia

Componentes Electrnicos de Potencia



comprendida entre la Electrotcnia y la Electrnica. Su estudio se realiza desde dos puntos de vista: el de los componentes y el de las estructuras. En el proceso de conversin de la naturaleza de la energa elctrica, toma vital importancia el rendimiento del mismo. La energa transferida tiene un valor elevado y el proceso debe realizarse de forma eficaz, para evitar que se produzcan grandes prdidas. Dado que se ponen en juego tensiones e intensidades elevadas, si se trabaja en la zona lineal de los semiconductores, las perdidas de potencia pueden llegar a ser excesivamente elevadas, sobrepasando en la inmensa mayora de los casos las caractersticas fsicas de los mismos, provocando considerables prdidas econmicas y materiales. Parece claro que se debe trabajar en conmutacin. 0.3 Campos de aplicacin En general los sistemas de potencia se utilizan para accionar cualquier dispositivo que necesite una entrada de energa elctrica distinta a la que suministra la fuente de alimentacin primaria. Podemos encontrar aplicaciones de baja potencia, media y alta, con un amplio margen, desde algunos cientos de vatios hasta miles de kilovatios.

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Veamos a continuacin algunas de las aplicaciones industriales de cada uno de los convertidores: Rectificadores:

- Alimentacin de todo tipo de sistemas electrnicos, donde se necesite energa elctrica en forma de corriente continua.

- Control de motores de continua utilizados en procesos industriales: Mquinas herramienta, carretillas elevadoras y transportadoras, trenes de laminacin y papeleras.

- Transporte de energa elctrica en c.c. y alta tensin. - Procesos electroqumicos. - Cargadores de bateras.

Reguladores de alterna:

- Calentamiento por induccin. - Control de iluminacin. - Control de velocidad de motores de induccin. - Equipos para procesos de electrodeposicin.

Cambiadores de frecuencia:

- Enlace entre dos sistemas energticos de corriente alterna no sincronizados. - Alimentacin de aeronaves o grupos electrgenos mviles.

Inversores:

- Accionadores de motores de corriente alterna en todo tipo de aplicaciones industriales. - Convertidores corriente continua en alterna para fuentes no convencionales, tales como la

fotovoltaica o elica - Calentamiento por induccin. - SAI

Troceadores:

- Alimentacin y control de motores de continua. - Alimentacin de equipos electrnicos a partir de bateras o fuentes autnomas de corriente

continua.



CIRCUITO AUXILIAR

0.4 Procedimientos de conversin En general, cualquier conversin de energa elctrica se puede realizar por procedimientos electromecnicos o por procedimientos electrnicos.

La mayor flexibilidad y controlabilidad de los dispositivos electrnicos, hace que se apliquen para resolver procesos cada vez ms complejos. Un equipo electrnico de potencia consta fundamentalmente de dos partes, tal como se simboliza en la siguiente figura:

Fig 0.2 Diagrama de bloques de un sistema de potencia

1. Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia y elementos pasivos,

que liga la fuente primaria de alimentacin con la carga. 2. Un circuito de mando, que elabora la informacin proporcionada por el circuito de potencia

y genera unas seales de excitacin que determinan la conduccin de los semiconductores controlados con una fase y secuencia conveniente.

Diferencia entre la electrnica de seal y electrnica de potencia: En la electrnica de seal se vara la cada de tensin que un componente activo crea en un circuito habitualmente alimentado en continua. Esta variacin permite, a partir de una informacin de entrada, obtener otra de salida modificada o amplificada. Lo que interesa es la relacin entre las seales de entrada y salida, examinando posteriormente la potencia suministrada por la fuente auxiliar que requiere para su funcionamiento. La funcin de base es la amplificacin y la principal caracterstica es la ganancia.

Fig 0.3 Caracterstica fundamental de un sistema electrnico de Seal

En la electrnica de potencia el concepto principal es la conversin de energa y el rendimiento. Partimos de una seal de gran potencia, que es tratada en un sistema cuyo control corre a cargo de una seal llamada de control o cebado, obteniendo a la salida del sistema una seal cuya potencia ha sido modificada convenientemente.

CIRCUITO DE POTENCIA

Circuito Disparo y Bloqueo Circuito de Control

Alimentacin Informacin Seales gobierno

Energa Elctrica de entrada carga



Fig 0.4 Caracterstica fundamental de un sistema electrnico de Potencia

0.5 Requisitos del dispositivo electrnico de potencia Un dispositivo bsico de potencia debe cumplir los siguientes requisitos: Tener dos estados bien diferenciados, uno de alta impedancia (idealmente infinita), que

caracteriza el estado de bloqueo y otro de baja impedancia (idealmente cero) que caracteriza el estado de conduccin.

Capacidad de soportar grandes intensidades con pequeas cadas de tensin en estado de conduccin y grandes tensiones con pequeas corrientes de fugas cuando se encuentra en estado de alta impedancia o de bloqueo.

Controlabilidad de paso de un estado a otro con relativa facilidad y poca disipacin de potencia. Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro y capacidad para poder trabajar a

frecuencias considerables. De los dispositivos electrnicos que cumplen los requisitos anteriores, los ms importantes son el Transistor de Potencia y el Tiristor. Estos dispositivos tienen dos electrodos principales y un tercer electrodo de control. Muchos circuitos de potencia pueden ser diseados con transistores, siendo intercambiables entre s en lo que se refiere al circuito de potencia exclusivamente y siendo diferentes los circuitos de control segn se empleen Transistores o Tiristores.

0.6 Componentes de base en la electrnica de potencia.

Los componentes semiconductores de potencia que vamos a caracterizar se pueden clasificar en tres grupos de acuerdo a su grado de controlabilidad: Diodos: Estado de ON y OFF controlables por el circuito de potencia. Tiristores: Fijados a ON por una seal de control pero deben conmutar a OFF mediante el circuito de potencia. Conmutadores Controlables: Conmutados a ON y a OFF mediante seales de control.(BJT, MOSFET, GTO, IGBT's). Diodo:

Es el elemento semiconductor formado por una sola unin PN. Su smbolo se muestra a continuacin:

Son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular corriente en sentido contrario al de conduccin. El nico procedimiento de control consiste en invertir la tensin nodo ctodo, no disponiendo de ningn terminal de control.



Tiristores. Dentro de la denominacin general de tiristores se consideran todos aquellos componentes semiconductores con dos estados estables cuyo funcionamiento se basa en la realimentacin regenerativa de una estructura PNPN. Existen varios tipos, de los cuales el ms empleado es el rectificador controlado de silicio (SCR), aplicndole el nombre genrico de tiristor. Dispone de dos terminales principales, nodo y ctodo, y uno auxiliar de disparo o puerta. En la figura siguiente se muestra el smbolo.

La corriente principal circula del nodo al ctodo. En su estado de OFF, puede bloquear una tensin directa y no conducir corriente. As, si no hay seal aplicada a la puerta, permanecer en bloqueo independientemente del signo de la tensin Vak. El tiristor debe ser disparado a ON aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de puerta, durante un pequeo instante. La cada de tensin directa en el estado de ON es de pocos voltios (1-3V). Una vez empieza a conducir, es fijado al estado de ON, aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser cortado por pulso de puerta. Solo cuando la corriente del nodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, se cortar el tiristor. Gate-Turn-Off Thyristors (GTOs):

Funcionamiento muy similar al SCR pero incorporando la capacidad de bloquearse de forma controlada mediante una seal de corriente negativa por puerta. Mayor rapidez frente a los SCR, soportando tensiones y corrientes cercanas a las soportadas por los SCRs. Su principal inconveniente es su baja ganancia de corriente durante el apagado, lo cual obliga a manejar corrientes elevadas en la puerta, complicando el circuito de disparo. Su smbolo es el siguiente:

Bipolar Junction Transistor (BJT):

La figura siguiente muestra el smbolo de un transistor bipolar NPN y PNP:

Manejan menores voltajes y corrientes que el SCR, pero son ms rpidos. Fciles de controlar por el terminal de base, aunque el circuito de control consume ms energa que el de los SCR. Su principal ventaja es la baja cada de tensin en saturacin. Como inconveniente destacaremos su poca ganancia con v/i grandes, el tiempo de almacenamiento y el fenmeno de avalancha secundaria.



Metal-Oxide-Semiconductior Field Effect Transistors (MOSFET): El control del MOSFET se realiza por tensin, teniendo que soportar solamente un pico de corriente para cargar y descargar la capacidad de puerta. Como ventajas destacan su alta impedancia de entrada, velocidad de conmutacin, ausencia de ruptura secundaria, buena estabilidad trmica y facilidad de paralelizarlos. En la siguiente figura se muestra el smbolo de un MOSFET de canal N y un MOSFET de canal P.

Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs):

El IGBT combina las ventajas de los MOSFETs y de los BJTs, aprovechando la facilidad del disparo del MOSFET al controlarlo por tensin y el tipo de conduccin del bipolar, con capacidad de conducir elevadas corrientes con poca cada de tensin. Su smbolo es el siguiente:

El IGBT tiene una alta impedancia de entrada, como el Mosfet, y bajas prdidas de conduccin en estado activo como el Bipolar. Pero no presenta ningn problema de ruptura secundaria como los BJT. El IGBT es inherentemente ms rpido que el BJT. Sin embargo, la velocidad de conmutacin del IGBT es inferior a la de los MOSFETs. 0.6.1.- COMPARACIN DE SEMICONDUCTORES CON CAPACIDAD DE CORTE.

0.7 Evolucin tecnolgica de los dispositivos semiconductores.

Durante los aos setenta, los Tiristores (SCRs), los Tiristores Bloqueables por Puerta (GTOs); y los Transistores Bipolares (BJTs) constituan los dispositivos de potencia primordiales, mientras que los Transistores MOSFETs eran todava demasiado recientes para participar en las aplicaciones de potencia. Los SCRs y los BJTs de aquella poca podan conmutar a frecuencias entre 1 y 2KHz .

Elemento Potencia Rapidez de

conmutacin

MOSFET Baja Alta BIPOLAR Media Media IGBT Media Media GTO Alta Baja



Durante los aos ochenta se consiguieron bastantes avances, tales como reduccin de la resistencia en conmutacin de los transistores MOSFETs, aumento de la tensin y la corriente permitida en los GTOs, desarrollo de los dispositivos hbridos MOS-BIPOLAR tales como los IGBTs, as como el incremento de las prestaciones de los circuitos integrados de potencia y sus aplicaciones. Se imponen los dispositivos MOSFETs, ya que poseen una mayor velocidad de conmutacin, un rea de operacin segura ms grande y un funcionamiento ms sencillo, en aplicaciones de reguladores de alta frecuencia y precisin para el control de motores. Los GTOs son empleados con asiduidad en convertidores para alta potencia, debido a las mejoras en los procesos de diseo y fabricacin que reducen su tamao y mejoran su eficiencia. Aparecen los IGBTs, elementos formados por dispositivos Bipolares y dispositivos MOS, estos dispositivos se ajustan mucho mejor a los altos voltajes y a las grandes corrientes que los MOSFETs y son capaces de conmutar a velocidades ms altas que los BJTs. Los IGBTs pueden operar por encima de la banda de frecuencia audible, lo cual, facilita la reduccin de ruidos y ofrece mejoras en el control de convertidores de potencia. Mediados los aos ochenta aparecen los dispositivos MCT que estn constituidos por la unin de SCRs y MOSFETs. En la dcada de los noventa los SCRs van quedando relegados a un segundo plano, siendo sustituidos por los GTOs. Se incrementa la frecuencia de conmutacin en dispositivos MOSFETs e IGBTs, mientras que los BJTs son gradualmente reemplazados por los dispositivos de potencia anteriores. Los C.I. (circuitos integrados) de potencia tienen una gran influencia en varias reas de la electrnica de potencia. Para concluir, decir que tecnolgicamente se tiende a fabricar dispositivos con mayores velocidades de conmutacin, con capacidad para bloquear elevadas tensiones, permitir el paso de grandes corrientes y por ltimo, que tengan cada vez, un control ms sencillo y econmico en consumo de potencia. En la figura 0.5 se pueden observar las limitaciones de los distintos dispositivos semiconductores, en cuanto a potencia controlada y frecuencias de conmutacin. Dispositivos que pueden controlar elevadas potencias, como el Tiristor (104 KVA) estn muy limitados por la frecuencia de conmutacin (orden de KHz), en el lado opuesto los MOSFETs pueden conmutar incluso a frecuencias de hasta 103 KHz pero la potencia apenas alcanza los 10 KVA, en la franja intermedia se encuentran los BJTs (300 KVA y 10 KHz), los GTOs permiten una mayor frecuencia de conmutacin que el Tiristor, 1 KHz con control de potencias de unos 2000 KVA, por ltimo los IGBTs parecen ser los mas ideales para aplicaciones que requieran tanto potencias como frecuencias intermedias.

10-1 100 101 102 103

103

104

102

101

100

f (KHZ)

P (KVA)

SCR

GTO

IGBTBJT

MOS

Fig 0.5 Caractersticas frecuencia potencia conseguidas, durante los aos 90, para los distintos tipos de semiconductores de potencia.

Todas estas consideraciones justifican la bsqueda de nuevos dispositivos y la incesante evolucin desde la aparicin de los semiconductores, siempre buscando el estado ideal; poder controlar la



mxima cantidad de potencia, pudiendo hacer que los dispositivos conmuten a la mas alta frecuencia con el consiguiente beneficio en rapidez y en eliminacin de ruidos pues interesa conmutar a velocidades superiores a la frecuencia audible (20 kHz) En la figura 0.6 se pueden apreciar algunas de las principales aplicaciones de los distintos semiconductores, a lo largo de su historia, as como las cotas de potencia y frecuencias de conmutacin alcanzadas y su previsible evolucin futura, Destacar la utilizacin de SCRs en centrales de alta potencia; los GTOs para trenes elctricos; Modulos de Transistores, modulos de MOSFETS, IGBTs y GTOs para sistemas de alimentacin ininterrumpida, control de motores, robtica (frecuencias y potencias medias, altas); MOSFETs para automocin, fuentes conmutadas, reproductores de video y hornos microondas (bajas potencias y frecuencias medias); y por ltimo mdulos de Transistores para electrodomsticos y aire acondicionado (potencias bajas y frecuencias medias).

Fig 0.6 Aplicaciones generales de los semiconductores en la industria.[Rashid,1995]

0.8 Clasificacin de los convertidores de potencia [Bhler, 1998]

Los equipos de potencia se pueden clasificar:

- Segn el modo de conmutacin - Segn el tipo de conversin. - Segn el tipo de energa que los alimenta.

0.8.1 SEGN EL MODO DE CONMUTACIN

Cuado se intentan clasificar los convertidores segn el modo de conmutacin, hay que tener en cuenta la forma en que se provoca el bloqueo del elemento semiconductor es decir el paso de conduccin a corte; generalmente ste est provocado por la conmutacin de corriente de un elemento rectificador a otro. Se pueden distinguir tres casos: sin conmutacin, con conmutacin natural y con conmutacin forzada.



Sin conmutacin Este tipo de convertidores se caracteriza por el hecho de que la corriente por la carga se anula a la misma vez que se anula la corriente por el elemento rectificador. Como ejemplo podemos citar un regulador de corriente interna con dos tiristores.

Conmutacin natural El paso de corriente de un elemento rectificador a otro se provoca con la ayuda de tensiones alternas aplicadas al montaje del convertidor esttico. Como ejemplo podemos citar un rectificador controlado con SCR.

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Conmutacin forzada El paso de corriente de un elemento rectificador a otro, est provocado generalmente por la descarga de un condensador o red LC que forma parte del convertidor. Como ejemplo podemos citar un convertidor dc-dc con tiristor.

0.8.2 SEGN EL TIPO DE CONVERSIN

Los equipos de potencia se pueden clasificar segn el tipo de conversin de energa que realizan, independientemente del tipo de conmutacin utilizada para su funcionamiento.

A. Contactor de corriente

Es un dispositivo esttico que permite conectar y desconectar la carga instalada a su salida, con la ayuda de una seal de control de tipo lgico.

Fig 0.7 Contactor de corriente

Su caracterstica fundamental es que la frecuencia a su salida es igual a la de entrada. La tensin de salida es igual a la de entrada si el contactor de corriente est cerrado (c = 1). La corriente de salida depende de la carga. Si el contactor est abierto (c = 0), la corriente de salida Is es nula. La potencia activa P se dirige de la entrada hacia la salida. Se dice entonces que el contactor funciona en el primer cuadrante del plano Is - Us con dos estados bien diferenciados. OFF - ON

B. Variador de corriente

Su funcionamiento es idntico al del contactor de corriente, la nica diferencia est en que la seal de control es de tipo analgico. Variando esta seal de forma continua, se hace variar la tensin de salida Us entre 0 y la tensin de entrada Ue.

Fig 0.8 Variador de corriente o regulador



En realidad este dispositivo es un contactor de corriente que se desconecta y conecta peridicamente, con lo que se consigue trocear la tensin de entrada. De esta manera, los valores medio y eficaz de la tensin de salida son variables. Este dispositivo se conoce tambin con el nombre de regulador.

C. Rectificador

Este dispositivo convierte las tensiones alternas de su entrada en tensiones continuas a su salida. En general, la tensin de salida es constante.

Fig 0.9 Rectificador

Es posible variar la tensin de salida de manera continua mediante una seal de control analgica. En este caso se habla de rectificador controlado. Tanto la tensin como la corriente de salida slo pueden ser positivas. La potencia activa P se dirige de la entrada a la salida.

D. Ondulador

Realiza la operacin inversa al rectificador, convirtiendo una tensin continua de entrada en una tensin alterna a la salida.

Fig 0.10 Ondulador

La seal analgica de control tiene como misin adaptar el funcionamiento del ondulador en funcin de una tensin de entrada variable, si la tensin de salida debe mantenerse constante, o para hacer variar la tensin de salida si la tensin de entrada es constante. La potencia activa P se dirige desde la entrada hacia la salida, es decir, del lado continuo al lado alterno del dispositivo.

E. Convertidor de corriente

Este dispositivo es capaz de funcionar como rectificador controlado o como ondulador. La entrada es alterna, mientras que la salida es continua.

Fig 0.11 Convertidor de corriente

Es importante hacer notar que la corriente slo puede circular en una direccin dada la presencia de elementos rectificadores que impiden el paso de la misma en sentido contrario. Si la tensin media a la salida del convertidor es negativa la potencia entregada es negativa, indicando en este caso la transferencia de energa desde la carga a la fuente primaria



F. Convertidor de corriente bidireccional

Est formado por dos convertidores de corriente. La corriente puede circular tanto de la entrada a la salida, como de la salida a la entrada. Su polaridad y su valor, as como el signo de la tensin continua de salida pueden ser variados mediante la seal analgica de control. El convertidor de corriente bidireccional puede funcionar en los cuatro cuadrantes del plano Is - Us, por lo que la potencia activa (P), puede ser positiva o negativa.

Fig 0.12 Convertidor de corriente bidireccional

G. Convertidor de frecuencia directo

Su funcionamiento bsico consiste en proporcionar una seal alterna de frecuencia distinta a la de la seal alterna de entrada. Est constituido por un convertidor de corriente bidireccional. La potencia activa puede circular de la entrada hacia la salida o viceversa.

Fig 0.13 Convertidor de frecuencia directo

H. Convertidor de frecuencia con circuito intermedio

A diferencia del circuito anterior, ahora la conversin de la frecuencia no se realiza de manera directa, sino indirectamente. El dispositivo est formado por un rectificador a la entrada y un on-dulador a la salida.

Fig 0.14 Convertidor de frecuencia con circuito intermedio



La tensin alterna de entrada de frecuencia fe se rectifica para obtener la tensin continua Ui del circuito intermedio (con frecuencia fi = 0). Esta tensin se convierte en alterna mediante el uso de un ondulador, y la frecuencia suele ser distinta a la de la entrada. El rectificador y el ondulador estarn controlados de forma adecuada por dos seales analgicas. En el esquema de la figura se puede apreciar que la potencia activa slo puede ir de la entrada a la salida. 0.8.3 SEGN EL TIPO DE ENERGA De manera general se puede abordar el estudio de los distintos convertidores en funcin de los cuatro tipos de conversin posibles. Desde el punto de vista real, dado que el funcionamiento del sistema encargado de transformar el tipo de presentacin de la energa elctrica viene condicionado por el tipo de energa disponible en su entrada, clasificaremos los convertidores estticos de energa en funcin del tipo de energa elctrica que los alimenta, tal y como se muestra en la siguiente figura:

Fig 0. 15 Clasificacin de los convertidores estticos segn la energa que los alimenta



Bibliografa bsica para estudio

HART, Daniel W. Electrnica de Potencia. Ed. Prentice Hall. Madrid 2001. ISBN 84-205-3179-0 RASHID, M. H. Electrnica de Potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. Ed. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A. Mxico 1995. Bibliografa ampliacin BHLER, HANSRUEDI. Electrnica industrial: Electrnica de Potencia. Ed. Gustavo Gili, 1988. ISBN: 84-252-1253-7 MOHAN, N.; UNDELAND, T. M.; ROBBINS W. P. Power electronics: Converters, Applications and design. 2 Edicin. Ed. John Wiley & Sons, Inc., 1995. SGUIER, G. Electrnica de potencia: los convertidores estticos de energa. Funciones de base. Ed. Gustavo Gili. Barcelona, 1987. ISBN: 968-8887-063-3 Enlaces web interesantes [Consulta: 5 de julio de 2004] Sitio web general pspice con mucha informacin [Consulta: 5 de julio de 2004] Interactive Power Electronics Seminar (iPES). [Consulta: 5 de julio de 2004] Tutorial de electrnica de potencia de html Venkat Ramaswamy [Consulta: 5 de julio de 2004] www curso de electrnica de potencia ( Portugus) [Consulta: 5 de julio de 2004] Applet Java de Semiconductores [Consulta: 5 de julio de 2004]





Tema 1.- Repaso conceptos: Potencia elctrica. Armnicos Valor eficaz. Energa. Potencia media. Potencia aparente. Factor de potencia. Clculo de potencia en circuitos de alterna con seales sinusoidales. Cargas lineales y no lineales. Clculo para formas de onda peridicas no sinusoidales. Fourier. Fuente no sinusoidal y carga lineal. Carga no lineal. Armnicos y anlisis con Pspice. Efectos de los Armnicos: Amenazas, normativa, soluciones Tema 2.- Elementos semiconductores de potencia Tema 3.- Disipacin de potencia

1.1 Introduccin 1 1.2 Conceptos bsicos 1

1.2.1 Bobinas y condensadores 1

1.3 Potencia en circuitos de alterna con seales sinusoidales 2 1.3.1 Potencia instantnea y potencia media 3

1.3.2 Potencia reactiva 3 1.3.3 Potencia compleja 4 1.3.4 Potencia aparente 5 1.3.5 Valor eficaz 5 1.3.6 Factor de potencia 6

1.4 Cargas lineales y no lineales 6 1.5 Cargas no lineales (descomposicin armnica) 7

1.5.1 Definicin de armnico 7 1.5.2 Orden del armnico 7 1.5.3 Espectro armnico 8

1.6 Series de Fourier 9

1.6.1 Anlisis de Fourier 10

Distorsin armnica total Total Harmonic Distortion(THD) 15 Valor efectivo o valor rms 16 Factor de cresta 16 Valor promedio 17 Factor de potencia y cos 17 Factor de desclasificacin K 18

1.6.2 Anlisis de fourier usando pspice 19

1.7 Algunos equipos deformantes 20 1.8 Clculos con ondas peridicas no sinusoidales 22

1.8.1 Fuente sinusoidal y carga lineal 22 1.8.2 Fuente sinusoidal y carga no lineal 22

1.9 Efectos de los armnicos 23 1.9.1.- Importancia del neutro 23

1.10 Legislacin 25 1.11 Soluciones 28

TEMA1: POTENCIA Y ARMNICOS

Universidad de Jan. J. D. Aguilar; M. Olid 1

1.1 Introduccin Los clculos de potencia son esenciales para el anlisis y diseo de los circuitos electrnicos de potencia. En este tema vamos a revisar los conceptos bsicos sobre potencia, prestando especial atencin a los clculos de potencia en circuitos con corrientes y tensiones peridicas no sinusoidales. 1.2 Conceptos bsicos Potencia instantnea

La potencia instantnea de cualquier dispositivo se calcula a partir de la tensin en bornas del mismo y de la corriente que le atraviesa. ( ) ( ) ( )titvtp = E 1. 1 La relacin es vlida para cualquier dispositivo o circuito. Generalmente la potencia instantnea es una magnitud que vara con el tiempo. El dispositivo absorbe potencia si p(t) es positivo en un valor determinado de t y entrega potencia si p(t) es negativa.

Energa

La energa o trabajo es la integral de la potencia instantnea.

( )dttpW 21

t

t= E 1. 2 Si v(t) est expresada en voltios e i(t) en amperios, la potencia se expresar en vatios y la energa en julios. Potencia media

Las funciones de tensin y corriente peridicas producen una funcin de potencia instantnea peridica. La potencia media es el promedio a lo largo del tiempo de p(t) durante uno o ms periodos. Algunas veces tambin se denomina potencia activa o potencia real.

( ) ( ) ( ) ++ == TttTtt 0000 dttitvT1dttpT1P E 1. 3

Donde T es el periodo de la forma de onda de potencia 1.2.1 BOBINAS Y CONDENSADORES Las bobinas y condensadores tienen las siguientes caractersticas para tensiones y corrientes peridicas: ( ) ( )

( ) ( )tvTtvtiTti

=+=+

Bobina En una bobina, la energa almacenada es:



( )tLi21W 2L = E 1. 4

Si la corriente de la bobina es peridica, la energa acumulada al final de un periodo es igual a la energa que tena al principio. Si no existe transferencia de potencia neta:

0PL = La potencia media absorbida por una bobina es cero para funcionamiento peridico en rgimen permanente.

La potencia instantnea no tiene por qu ser cero. A partir de la relacin de tensin-corriente de la bobina:

( ) ( ) ( )0Ttt L0 tidttVL1Tti 0

0

+=+ + E 1. 5 Al ser los valores inicial y final iguales para corrientes peridicas:

( ) ( ) ( ) 0dttVL1tiTti

Tt

t L000

0

==+ + E 1. 6 Multiplicando por

TL

y sabiendo que ( ) ( )00 tiTti =+

( )[ ] ( ) 0dttvT1VtVmed

Tt

tLL0

0

=== + La tensin media en extremos de una bobina es cero

Condensador En una bobina, la energa almacenada es:

( )tcv21W 2C = E 1. 7

Si la tensin del condensador es una seal peridica:

0PC = La potencia media absorbida por el condensador es cero para funcionamiento peridico en rgimen permanente.

A partir de la relacin de tensin-corriente del condensador:

( ) ( ) ( )0Ttt C0 tvdttiC1Ttv 0

0

+=+ + E 1. 8 Al ser los valores inicial y final iguales para corrientes peridicas:

( ) ( ) ( ) 0dttiC1tvTtv

Tt

t C000

0

==+ + E 1. 9 Multiplicando por

TL

y sabiendo que ( ) ( )00 tiTti =+ ( )[ ] ( ) 0dtti

T1Itimed

Tt

tCC0

0

=== + La intensidad media por el condensador es cero 1.3 Potencia en circuitos de alterna con seales sinusoidales Generalmente, las tensiones y/o corrientes en los circuitos electrnicos de potencia no son sinusoidales. Sin embargo, una forma de onda peridica no sinusoidal puede representarse mediante una serie de Fourier de componentes sinusoidales.



En los circuitos lineales con generadores sinusoidales, todas las corrientes y tensiones de rgimen permanente son sinusoidales.

1.3.1 POTENCIA INSTANTNEA Y POTENCIA MEDIA

Para cualquier elemento de un circuito de alterna, supongamos que: ( ) ( )

( ) ( )tcosItitcosVtv

m

m

+=+=

Recordemos que la potencia instantnea de los circuitos de alterna es ( ) ( ) ( )titvtp = Y la potencia media: ( ) ( ) ( ) ++ == TttTtt 0000 dttitvT1dttpT1P

Luego la potencia instantnea es:

( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )[ ]tcosItcosVtitvtp mm ++== E 1.10

Sabiendo que ( )( ) ( ) ( )[ ]BAcosBAcos21cosBcosA ++=

( ) ( ) ( )[ ]cost2cos2IVtp mm +++

= E 1.11

Y la potencia media es:

( ) ( ) ( )[ ] +++

== T0

mmT

0dtcost2cos

T2IVdttp

T1P E 1.12

El resultado de esta integral puede obtenerse por deduccin. Dado que el primer trmino de la integral es una funcin coseno, la integral en un periodo es igual a cero y el segundo trmino es una constante. Por tanto, la potencia media de cualquier elemento de un circuito de alterna es:

( )cos2IVP mm

= E 1.13

O bien ( )cosIVP rmsrms = E 1.14 Siendo

2V

V mrms = , 2I

I mrms = y ( )cos el ngulo de fase entre la tensin y la corriente. Su unidad es el vatio (w). Esta potencia es la denominada potencia activa. 1.3.2 POTENCIA REACTIVA La potencia reactiva se caracteriza por la acumulacin de energa durante una mitad del ciclo y la devolucin de la misma durante la otra mitad del ciclo. ( )senIVQ rmsrms = [1_1] La unidad es el voltio-amperio reactivo (VAR)



Por convenio, las bobinas absorben potencia reactiva positiva y los condensadores absorben potencia reactiva negativa. 1.3.3 POTENCIA COMPLEJA La potencia compleja combina las potencias activa y reactiva para los circuitos de alterna: ( )( )*IVjQPS rmsrms=+= E 1.15

rmsV y rmsI son magnitudes complejas que se expresan como fasores (magnitud y ngulo) y ( )*rmsI es el complejo conjugado de un fasor de corriente, lo que proporciona resultados coherentes con el convenio de que la bobina absorbe potencia reactiva.

Esta ecuacin de potencia compleja no es aplicable a seales no sinusoidales.

[1_2] [1_3] [1_4]

Trazar el tringulo de potencias de un circuito cuya impedancia es

4j3z += y al que se le aplica un fasor de tensin V =100|30 volt.

Solucin: El fasor de intensidad de corriente es A23,12053,15

30100

zVI =

== Mtodo 1:

W1200320RIP 22 === retrasoVAR0160420xIQ 22 ===

VA2000520zIS 22 === retrasoen0,653,1cosfp ==

Mtodo 2:

VA200020100IVS === W120053,1cos2000cosIVP ===

retrasoVAR160053,1sen2000senIVQ === retrasoen0,6cosfp ==

Mtodo 3: ( ) ( ) 1600j120053,1200023,12030100*IVS +====

W1200P = ; retrasoenVAR1600Q = ; VA2000S = ; retrasoen0,6cosfp == Mtodo 4: ( ) === 23,160323,120IRVR ; ( ) ( ) == 66,98090423,120VX

W12003

60R

VP22

R === ; VAR16004

80X

VQ22

X ===

VA20005

100z

VS22

=== ; retrasoen0,6SPfp ==

[J. A. Edminister]



1.3.4 POTENCIA APARENTE La potencia aparente se expresa de la siguiente forma:

RMSRMS IVS = E 1.16 Su unidad es el voltio-amperio (VA)

La potencia aparente en los circuitos de alterna es la magnitud de la potencia compleja:

22 QPSS +==

Fig 1.1 El smbolo de un condensador o un inductor indica de qu tipo son las cargas, capacitivas o inductivas, respectivamente.

1.3.5 VALOR EFICAZ El valor eficaz tambin es conocido como valor cuadrtico medio o rms. Se basa en la potencia media entregada a una resistencia.

RV

P2

cc= E 1.17 Para una tensin peridica aplicada sobre una resistencia, la tensin eficaz se define como una tensin que proporciona la misma potencia media que la tensin continua. La tensin eficaz puede calcularse:

RV

P2

ef= E 1.18 Calculando la potencia media:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ====T

0

T

0

22T

0

T

0dttv

T1

R1dt

Rtv

T1dttitv

T1dttp

T1P

Si igualamos estas dos ecuaciones:

( ) ( ) ====T

0

22ef

2efT

0

22

ef dttvT1V

RV

dttvT1

R1

RV

P

( )== T0 22RMS2ef dttvT1VV E 1.19 Del mismo modo, la corriente eficaz se desarrolla a partir de RIP 2RMS=

Potencia Activa

Potencia aparente

Potencia reactiva



( )== T0 22RMS2ef dttiT1II E 1.20

1.3.6 FACTOR DE POTENCIA El factor de potencia de una carga se define como el cociente de la potencia media o activa y la potencia aparente:

( )cosIV

PSP

AparentePotenciaActivaPotenciaFP

RMSRMS

==== E 1.21

Esta ecuacin de factor de potencia tampoco es aplicable a seales no sinusoidales, como se ver posteriormente.

El factor de potencia utiliza el valor total de RMS, incluyendo as todos los armnicos, para su clculo.

f.p. Interpretacin

0 a 1 No se consume toda la potencia suministrada, presencia de potencia reactiva. 1 El dispositivo consume toda la potencia suministrada, no hay potencia reactiva. -1 El dispositivo genera potencia, corriente y tensin en fase.

-1 a 0 El dispositivo genera potencia, adelantos o retrasos de corriente 1.4 Cargas lineales y no lineales. Hasta ahora, la mayor parte de las cargas utilizadas en la red elctrica eran cargas lineales, cargas que daban lugar a corrientes con la misma forma de onda que la tensin, es decir, prcticamente sinusoidales. Con la llegada de la electrnica integrada a numerosos dispositivos elctricos, las cargas producen corrientes distorsionadas cuya forma ya no es sinusoidal. Estas corrientes estn compuestas por armnicos, cuya frecuencia es mltiplo de la frecuencia fundamental de 50 Hz.

CARGA LINEAL:

Una carga se dice lineal cuando la corriente que ella absorbe tiene la misma forma que la tensin que la alimenta. Esta corriente no tiene componentes armnicos. Ejemplo: resistencias de calefactores, cargas inductivas en rgimen permanente (motores, transformadores...)

CARGA NO LINEAL O DEFORMANTE:

Una carga se dice no lineal cuando la corriente que ella absorbe no es de la misma forma que la tensin que la alimenta. Esta corriente es rica en componentes armnicos donde su espectro ser funcin de la naturaleza de la carga. Ejemplo: fuentes de alimentacin, control de motores de induccin, entrehierro del transformador y en general cualquier carga que incorpore un convertidor esttico de potencia.



[1_5] [1_6]

Fig 1.2 Las cargas lineales pueden provocar que entre la corriente y la tensin exista un desfase, sin embargo no provocan la deformacin de la forma de onda. Son cargas lineales las cargas resistivas, inductivas y capacitivas.

[1_7] [1_8]

Fig 1.3 A diferencia de las anteriores, las cargas no lineales se caracterizan por producir una deformacin de la onda de corriente.

1.5 Cargas no lineales (descomposicin armnica) 1.5.1 DEFINICIN DE ARMNICO. Una perturbacin armnica es una deformacin de la forma de onda respecto de la senoidal pura terica. Segn la norma UNE EN 50160:1996, una tensin armnica es una tensin senoidal cuya frecuencia es mltiplo entero de la frecuencia fundamental de la tensin de alimentacin. Podemos definir los armnicos como oscilaciones senoidales de frecuencia mltiplo de la fundamental. 1.5.2 ORDEN DEL ARMNICO Los armnicos se clasifican por su orden, frecuencia y secuencia

Orden 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... n Frec. 50 100 150 200 250 300 350 400 450 ... n*50Sec + - 0 + - 0 + - 0 ... ...



El orden del armnico es el nmero entero de veces que la frecuencia de ese armnico es mayor que la de la componente fundamental. Por ejemplo, el armnico de orden 7 es aquel cuya frecuencia es 7 veces superior a la de la componente fundamental, si la componente fundamental es de 50 Hz el armnico de orden 7 tendra una frecuencia de 350 Hz. En una situacin ideal donde slo existiera seal de frecuencia 50 Hz, slo existira el armnico de orden 1 o armnico fundamental. Se observa en la tabla que hay dos tipos de armnicos, los impares y los pares. Los armnicos impares son los que se encuentran en las instalaciones elctricas, industriales y edificios comerciales. Los armnicos de orden par slo existen cuando hay asimetra en la seal debida a la componente continua. En un sistema trifsico no distorsionado las corrientes de las tres fases llevan un cierto orden. Si el sistema es simtrico y la carga tambin las tres ondas de corriente tendrn el mismo mdulo y estarn desfasadas 120; diremos que la secuencia es directa si el orden con que las tres ondas pasan sucesivamente por un estado es ABC y diremos que es inversa si es ACB. Con ondas distorsionadas se puede hacer el mismo planteamiento para cada uno de los armnicos. Cuando el sistema est formado por ondas iguales en fase se denomina homopolar. Si la secuencia de las ondas fundamentales es directa, todos los armnicos de orden 3n-2 sern de secuencia directa, los de orden 3n-1 de secuencia inversa y los de orden 3n de secuencia homopolar. Si utilizamos como ejemplo un motor asncrono trifsico de 4 hilos, entonces los armnicos de secuencia directa o positiva tienden a hacer girar al motor en el mismo sentido que la componente fundamental. Como consecuencia provocan una sobrecorriente en el motor que hace que se caliente. Provocan en general calentamientos en cables, motores, transformadores. Los armnicos de secuencia negativa hacen girar al motor en sentido contrario al de la componente fundamental y por lo tanto frenan al motor, provocando tambin calentamientos. Los armnicos de secuencia neutra (0) o homopolares, no tienen efectos sobre el giro del motor pero se suman en el hilo neutro, provocando una circulacin de corriente de hasta 3 veces mayor que el 3 armnico que por cualquiera de los conductores, provocando calentamientos.

[1_9]

1.5.3 ESPECTRO ARMNICO. El espectro armnico permite descomponer una seal en sus armnicos y representarlo mediante un grfico de barras, donde cada barra representa un armnico, con una frecuencia, un valor eficaz, magnitud y desfase.

Fig 1.4 Espectro armnico o diagrama de barras. Cada barra representa un armnico, y para cada armnico se proporciona, en la parte superior derecha, su orden, su frecuencia, los amperios eficaces, valor porcentual de ese armnico con respecto al fundamental o al total, y el desfase con respecto a la fundamental. En este ejemplo se puede observar como los armnicos predominantes son, adems del fundamental, el 3, 5 y 9.

Es una representacin en el dominio de la frecuencia de la forma de onda que se puede observar con un osciloscopio.



Es necesario utilizar instrumentos de medida de tecnologa adecuada, capaces de medir el valor eficaz real de una seal de corriente o de tensin. El anlisis y la interpretacin de los datos medidos, en trminos de contaminacin armnica, podrn hacerse de manera clara a partir de un equipo apropiado.

Fig 1.5 Medidor Fluke 43B. (Cortesa de Fluke)

En la figura podemos ver un medidor especfico de la marca Fluke (Fluke 43B analizador de potencia). Nos permite ver representadas las formas de onda de la tensin y de la corriente, como en un osciloscopio y adems da directamente las potencias activa, reactiva y aparente, factor de desplazamiento y factor de potencia. Permite obtener la descomposicin armnica de la seal. Puedes practicar con el demo de este aparato pinchando sobre el enlace En el resto del tema trataremos de estudiar ms a fondo los diferentes valores representados. 1.6 Series de Fourier Los circuitos electrnicos de potencia tienen, normalmente, tensiones y/o corrientes que son peridicas pero no sinusoidales. Las series de Fourier pueden utilizarse para describir formas de onda peridicas no sinusoidales en trminos de una serie de sinusoides, o dicho de otra forma:

Una forma de onda peridica no sinusoidal puede describirse mediante una serie de Fourier de seales sinusoidales.



1.6.1 ANLISIS DE FOURIER Las funciones peridicas pueden ser descompuestas en la suma de:

a) Un trmino constante que ser la componente continua. b) Un trmino sinusoidal llamado componente fundamental, que ser de la misma frecuencia

que la funcin que se analiza. c) Una serie de trminos sinusoidales llamados componentes armnicos, cuyas frecuencias son

mltiplos de la fundamental.

( ) ( )=

++=1,2,..n

n n0

0 nSen btn Cosa2a

tv E 1.22

a0/2 es el valor medio de la tensin de salida, vo(t). Las constantes a0, an y bn pueden ser determinadas mediante las siguientes expresiones:

( ) ( ) tdtv1dttv

T2a

T

0

2

0 000 == ( ) ( ) === T0 20 00n 1,2,3...n ntdt Costv1ntd CostvT2a ( ) ( ) === T0 20 00n 1,2,3...n tdt n Sen tv1dttnSen tvT2b

Los trminos an y bn son los valores de pico de las componentes sinusoidales. Como para cada armnico (o para la fundamental) estas dos componentes estn desfasadas 90, la amplitud de cada armnico (o de la fundamental) viene dada por:

2n

2nn baC +=

Si desarrollamos el trmino de la ecuacin [E 1.22]:

++

++=+ tnSen

ba

btn Cos

ba

abatnSen btn Cosa

2n

2n

n

2n

2n

n2n

2nnn

y de esta ecuacin podemos deducir un ngulo n, que estar definido por los lados de valores an y bn, y Cn como hipotenusa:

( )( )n2n2n

nn2

n2

nnn

tnSenba

tnSen Costn CosSenbatnSen btn Cosa

++==++=+

donde

=

n

n1n b

atan

Sustituyendo en la ecuacin [E 1.22], el valor instantneo de la tensin representada en serie de Fourier ser:

( ) ( )=

++=1,2,...n

nn0

0 tnSenC2a

tv E 1.23



Cn es el valor de pico, y n el ngulo de retardo de la componente armnica de orden n de la tensin de salida, o tambin:

( ) ( )=

++=1,2,...n

nn0

0 tnCosC2a

tv

=

n

nn a

barctg

Computadoras. Se tiene una fuente de voltaje sin distorsin a una frecuencia de

50 Hz, ( ) ( )Vtwsen2220twv 00 = , donde srad1000 = . Una

computadora extrae 0,6 A rms de corriente. Dicha corriente puede aproximarse utilizando la siguiente receta de Fourier:

% fundamental % de total Signo del sen Fundamental 100.0 67.88 + Tercera 80.1 54.37 - Quinta 60.6 41.13 + Sptima 25.12 - Novena

37.0 15.7 10.67 +

Aplicando la receta anterior tenemos lo siguiente: De fundamental: ( ) ( ) A,t1sen20.67880,6ti 001 = De tercera armnica: ( ) ( ) A,t3sen20.54370,6ti 003 = De quinta armnica: ( ) ( ) A,t5sen20.41130,6ti 005 = De sptima armnica: ( ) ( ) A,t7sen20.25120,6ti 007 = De novena armnica: ( ) ( ) A,t9sen20.10670,6ti 009 = La suma fundamental y armnica es: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( )t9sen0,09t7sen0,213t5sen0,349t3sen0,461t1sen0,576ti

0

00000

+++=

En la siguiente figura podemos ver las diferentes pantallas del medidor Fluke obtenidas.



Fig 1.6 Diferentes pantallas obtenidas en el medidor Fluke

La forma de onda y su descomposicin armnica pueden verse en la figura

Fig 1.7 Descomposicin armnica

Simetra de una funcin f (t) Pueden reconocerse con facilidad cuatro tipos de simetra que se utilizarn para simplificar la tarea de calcular los coeficientes de Fourier:

a) Simetra de funcin par b) Simetra de funcin impar c) Simetra de media onda d) Simetra de cuarto de onda

Una funcin es par cuando ( ) ( )tftf = y es impar cuando ( ) ( )tftf = . La funcin par slo tiene trminos coseno (bn = 0) y la funcin impar slo tiene trminos seno (an = 0).



En la simetra de media onda se cumple: ( )

=2Ttftf y tiene la propiedad de que tanto an como

bn son cero para valores pares de n (solo contiene armnicos de orden impar). Esta serie contendr trminos seno y coseno a menos que la funcin sea tambin par o impar. Determinar el desarrollo trigonomtrico en serie de Fourier para la onda cuadrada de la figura, y dibujar su espectro. Datos:

Solucin: El intervalo 0 < t



Contiene los armnicos impares de los trminos en seno, como pudo anticiparse del anlisis de la simetra de la onda. Ya que la onda cuadrada dada, es impar, su desarrollo en serie contiene solo trminos en seno, y como adems tiene simetra de media onda, slo contiene armnicos impares. Las formas de onda ms comunes en electrnica de potencia son:

Fig 1.8 Forma de onda cuadrada y forma de onda pulsante



Fig 1.9 Forma de onda cuadrada modificada y sinusoide rectificada de media onda

Sinusoide rectificada y rectificador trifsico

[1_10] [1_11] [1_12]

Distorsin armnica total Total Harmonic Distortion(THD)

Tambin se le conoce como factor armnico o factor de distorsin. Se defini como consecuencia de la necesidad de poder cuantificar numricamente los armnicos existentes en un determinado punto de medida. Es la relacin del valor rms de la distorsin y el valor rms de la fundamental. Debido a que la fundamental no contribuye a la distorsin, el valor efectivo de la distorsin es la raz de la suma de los cuadrados de los valores rms de las armnicas, de la segunda en adelante. Matemticamente se escribe:

1

2nmax

25

24

23

22

II...IIII

lfundamentaladermsvalordistorsinladermsvalorTHD

+++++== E 1.24 Al incluir el valor rms de la fundamental, I1, dentro del radical se obtiene:

=

=

++

+

+

+

=

nmax

2n

2

1

n

2

1

nmax2

1

52

1

4

2

1

32

1

2

II

II

...II

II

II

IITHD E 1.25

el cociente 1I

I n es el valor rms de la armnica n dividido por el valor rms de la fundamental.



Fig 1.10 Cuando una instalacin elctrica se ve afectada por numerosos armnicos es posible que la distorsin total armnica supere el 100% lo que indicara que en esa instalacin o punto de medida hay ms armnicos que componente fundamental Cuando una seal no contiene armnicos, o es casi senoidal, su THD es cercano al 0%. Por tanto se debe tratar de que el THD sea lo ms bajo posible.

Valor efectivo o valor rms

El valor efectivo o valor rms de una funcin peridica indica la energa que tiene una determinada seal y es la raiz cuadrada del valor promedio de la funcin al cuadrado. Matemticamente se escribe:

( ) ( )== Trms dttfTtfdepromedioF 0 22 1 E 1.26 El valor rms de una senoidal es el valor pico entre 2 . El valor rms de una funcin formada por componentes senoidales de frecuencia distinta est dado por la raiz cuadrada de los cuadrados de los valores rms de dichas componentes, esto es, el valor rms de: ( ) ( ) ( ) ( )tsenItsenItsenIti 332211 222 ++= E 1.27

est dado por 2322

21 RMSRMSRMSrms IIII ++= , si las frecuencias angulares 1 , 2 y 3 son

distintas. Fig 1.11 Medicin del valor rms total

Factor de cresta: El factor de cresta es un factor de deformacin, que relaciona el valor de pico (cresta) de una onda sinusoidal y el valor eficaz de la misma seal.

rmsvalorpicovalor.c.f = E 1.28



Debido a que el valor rms de una senoidal es el valor pico entre 2 , el factor de cresta de una senoidal es 2 .

Fig 1.12 El valor de factor de cresta CF es un indicacin de la cantidad de distorsin. Un factor de cresta elevado equivale a una alta distorsin.

Valor promedio

El valor promedio de una forma de onda peridica es el rea bajo la curva de la onda en un periodo T, entre el tiempo del periodo. Tiene la siguiente expresin matemtica:

( )== T0prom dttfT1segundosenperiodo curvalabajoreaF E 1.29 El valor promedio de una senoidal es cero, el valor promedio de una senoidal rectificada es PV

2,

siendo PV el valor pico de la senoidal. Factor de potencia y cos

Habitualmente se tiende a pensar que el factor de potencia y el cos son lo mismo, esto es cierto solamente cuando no hay armnicos. El factor de potencia es la relacin entre la potencia activa y la potencia aparente:

SPFP = E 1.30

El cos es la relacin que existe entre las componentes fundamentales de la potencia activa y la potencia aparente.

Fig 1.13 Se observa como el factor de potencia y el cos son diferentes, esto indica que en el punto donde hayamos hecho las medidas tenemos armnicos.



Factor de desclasificacin K

El factor K es un factor de desclasificacin de los transformadores que indica cunto se debe reducir la potencia mxima de salida cuando existen armnicos. La expresin matemtica es la siguiente:

2..

2cf

I

IK

rms

pico == E 1.31

Se trata de medir el valor de pico y la corriente eficaz en cada fase del secundario del transformador, calcular sus promedios y utilizar la frmula anterior. As por ejemplo, si una ve medido en el secundario del transformador de 1000 KVA se encontrara que el factor de desclasificacin K vale 1,2; entonces la mxima potencia que podramos demandar del transformador, para que ste no se sobrecalentase y no empezara a distorsionar la tensin, sera de 833 KVA (1000 KVA/1,2 = 833 KVA).

Fig 1.14 La instrumentacin de medida especializada en la medicin y anlisis de armnicos facilita este valor del factor K, evitando complejos clculos matemticos. Si esta medida se hubiera hecho en el secundario del transformador de entrada, la potencia mxima tendra que reducirse en un factor de 3,7 veces.

En el siguiente cuadro podemos observar las diferentes medidas comentadas anteriormente.

El factor de potencia y el cos slo son iguales cuando no existen armnicos.

El Factor K de desclasificacin se debe utilizar para reducir la potencia mxima del transformador slo cuando la medida est hecha en el secundario del

mismo. Cuando la medida se hace en cualquier otro punto de la instalacin, el factor K no tiene utilidad.



Fig 1.15 Medidas

1.6.2 ANLISIS DE FOURIER USANDO PSPICE (A partir de la instruccin .FOUR)

Fig 1.16 Interpretacin del listado de Fourier obtenido con la simulacin mediante Pspice

En el grfico anterior tenemos sealadas con un recuadro cada una de las partes del listado que ofreceremos en cada simulacin, donde:

1. Lnea para el nombre del archivo .Cir y ejemplo al que pertenece. 2. Tipo de anlisis del parmetro indicado en esta misma lnea. 3. Componente continua que tiene la seal. 4. Columna que contiene el nmero de orden de cada armnico. 5. Columna que nos da la frecuencia de cada uno de los armnicos.



6. Amplitud mxima de cada uno de los armnicos. 7. Amplitud mxima normalizada o factor de distorsin de cada armnico. 8. Fase de cada armnico con respecto al parmetro analizado. 9. Fase de cada armnico normalizado respecto al fundamental. (Se obtienen restndole la fase

del fundamental a la columna 8). 10. Distorsin armnica total que ofrece Pspice utilizando para el clculo los nueve armnicos

que analiza. Los valores que ofrece Pspice (tanto en las grficas como en el listado de componentes de Fourier) son valores de pico, por tanto, para hacer la comparacin con los datos tericos hay que tener esto en cuenta y hacer la correccin oportuna, por ejemplo:

( )( )

221

11

1PSpiceO

RMSOO

O

VV

VV ==

Los datos obtenidos tericamente y los que el programa ofrece son muy similares, aunque existir una pequea diferencia debida a que el programa realiza los clculos con componentes semirreales. Estos clculos se pueden aproximar ms a los reales cuanto ms complejos sean los modelos de los componentes utilizados en Pspice. La variacin existente entre la distorsin armnica total THD que proporciona Pspice por defecto con respecto a la terica se debe a que el programa, por defecto, slo tiene en cuenta los nueve primeros armnicos. Existe otra forma de representar el desarrollo de Fourier y que se conoce como espectro frecuencial. Este espectro no es otra cosa que el diagrama donde se representan las amplitudes de cada uno de los armnicos que constituyen una onda. La amplitud de los armnicos decrece rpidamente para ondas con series que convergen rpidamente. Las ondas con discontinuidades, como la onda de dientes de sierra o la onda cuadrada, tienen un espectro cuyas amplitudes decrecen lentamente, ya que sus desarrollos en serie tienen armnicos de elevada amplitud. A continuacin se muestra un anlisis del espectro frecuencial, as se pueden comparar los dos tipos de representacin mediante Pspice:

Fig 1.17 Espectro frecuencial de las componentes de Fourier

1.7 Algunos equipos deformantes o Rectificador cargador

Las cargas tienen su manera tpica de consumir; en particular los rectificadores cargadores totalmente controlados, tienen esta forma caracterstica de doble ojiva.

0H 0.2KH 0.4KH 0.6KH 0.8KH 1.0KH 1.2KH

FrequencyV(3,0)

30V

20V

10V

0V

(4 49.9 82,3 .3909)

(3 50.0 00,4 .33 65)

(2 50.0 00,6 .07 10)

(1 50.0 00,1 0.1 18)

(5 0.00 0,30 .35 5)

Da te/Time ru n: 01/31/96 12:53:52 Temperature: 27.0

FUNDAMENTAL

ARMONICO 3

ARMONICO 5

ARMONICO 7

ARMONICO 9



En este caso la ojiva es poco pronunciada, gracias a la inductancia serie que se utiliza para la atenuacin armnica.

En la figura podemos observar la forma de onda de la corriente absorbida y su espectro armnico:

o Variador de velocidad El variador de velocidad es una carga muy deformante con un alto contenido armnico, que alcanza valores de distorsin de corriente superiores al 100%, lo cual quiere decir que superan los armnicos a la corriente fundamental.

Como podemos observar en la grfica, la tasa de distorsin global se sita en el 124%, lo que nos da una idea de lo altamente contaminante que es esta carga.

Sus armnicos individuales son de una magnitud elevada comenzando por el quinto, que se sita en el 81% de la corriente fundamental, seguido del sptimo con un 74%, el decimo primero con un 42% y el dcimo tercero con n valor importante.

Tambin hay que destacar el elevado factor de cresta, que provoca una corriente de pico muy elevada e inestable debido a los constantes arranques y paradas.



1.8 Clculos con ondas peridicas no sinusoidales 1.8.1 FUENTE NO SINUSOIDAL Y CARGA LINEAL Si se aplica una tensin peridica no sinusoidal a una carga que sea una combinacin de elementos lineales, la potencia absorbida por la carga puede determinarse utilizando superposicin. Una tensin peridica no sinusoidal es equivalente a la combinacin en serie de las tensiones de la correspondiente serie de Fourier. La corriente en la carga puede determinarse utilizando superposicin y la siguiente ecuacin:

( )nn1n

nn00av cos2

IVIVP +=

= E 1.32

1.8.2 FUENTE SINUSOIDAL Y CARGA NO LINEAL Si una fuente de tensin sinusoidal se aplica a una carga no lineal, la forma de onda de la corriente no ser sinusoidal pero puede representarse como una serie de Fourier. Si la tensin es la sinusoide: ( ) ( )101 tsenVtv += E 1.33

y la corriente se representa mediante la serie de Fourier:

( ) ( )=

++=1n

n0n0 tnsenIIti E 1.34

la potencia media absorbida por la carga se calcula a partir de la [E 1.32 ]

( )nn1n

maxnmaxn00 cos2

IVIVP

+=

= E 1.35

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1111nn2n

nmaxnn

110 coscos2

I0cos

2IVI0P IV rmsrms =

++=

=

El nico trmino de potencia distinto de cero es el correspondiente a la frecuencia de la tensin aplicada. En el cuadro siguiente se resume lo comentado anteriormente.

Lectura complementaria [1_13]

Potencia aparente S=VrmsIrms [VA]

Potencia activa - Significado fsico aceptado. - Promediada en un ciclo - Transportada a la frecuencia fundamental, f1 P= V1rmsI1rmscos 1 [W]

Potencia NO activa- Ortogonal a P S2+P2 [VA]

Potencia reactiva - Significado fsico aceptado. - Transportada a la frecuencia fundamental, f1 Q= V1rmsI1rmssen 1 [VAr]

Potencia de Distorsin - Significado fsico aceptado. - Smbolo no aceptado D2=S2-P2+Q2 [VA]



1.9 Efectos de los armnicos Cuando una corriente est deformada, es decir, cuando su forma de onda no es senoidal, se dice que contiene armnicos. Los efectos de los armnicos son numerosos, unos se observan a simple vista, o se escuchan, otros necesitan de medidores de temperatura para comprobar el calentamiento de cables, arrollamientos o pletinas, y finalmente otros necesitan de equipos especiales como medidores de armnicos, o analizadores para poder cuantificar la importancia de los armnicos en un punto de la instalacin. Los efectos de los armnicos son los siguientes: 1.9.1.- IMPORTANCIA DEL NEUTRO Un sistema trifsico son tres generadores de corriente alterna monofsica en los que un extremo de cada uno de los tres bobinados se han unido en un punto central, formando un generador trifsico que crea tres tensiones del mismo valor pero con un desfase mutuo de 120.

Cuando el sistema esta equilibrado, la suma de las tres corrientes que en un instante dado pasan hacia dicho punto central es constantemente igual a cero, es decir, si la corriente de ida va por un conductor, la de retorno se distribuye entre los otros dos. En las redes de distribucin de baja tensin suele incluirse el conductor que corresponde al punto central de la conexin en estrella, llamado conductor de neutro, que siempre est unido a tierra. En estas redes de distribucin, la corriente que circula por el neutro es igual a la suma vectorial de las tres corrientes de fase, por lo que si las cargas de las tres fases estn correctamente equilibradas y la corriente es senoidal, la resultante por el conductor neutro es nula o muy reducida.

Esto es cierto para la frecuencia fundamental, pero cuando se presentan armnicos mezclados con la corriente fundamental, en los circuitos trifsicos con cargas no lineales, las armnicas de orden impar (3, 9, 15, etc.), no se cancelan sino que se suman en el conductor neutro, por lo que la corriente por el conductor neutro puede ser mayor que la corriente de fase. El peligro consiste en un excesivo sobrecalentamiento del cable neutro, adems de causar cadas de voltaje, entre el neutro y la tierra, mayores de lo normal.

Cualquier seal que circule por la instalacin elctrica, ya sea de corriente o de tensin, y cuya forma de onda no sea senoidal, puede provocar daos en ella o

en los equipos conectados a la misma.

Grandes corrientes por el conductor neutro (sobrecalentamiento de los cables) Sobrecalentamiento de los cables por el efecto piel (seales de alta frecuencia) Disparos indeseados de interruptores Bateras de condensadores(resonancia, amplificacin armnica) Acoplamiento lnea telefnica Sobrecalentamiento transformador (desclasificacin, aumento de K)



Fig 1.18 Presencia de armnicos mezclados con la corriente fundamental

El valor eficaz de la intensidad de esta corriente del conductor neutro es simplemente igual a la suma aritmtica de las tres corrientes armnicas de orden 3 de cada una de las fases.

La existencia de estos armnicos, que se pueden presentar incluso aun cuando los equipos cumplan con las normas de limitacin de armnicos, provoca una serie de problemas entre los que se podran destacar: un fuerte incremento de las prdidas en las instalaciones por aumento de la resistencia de los conductores por efecto piel y por efecto proximidad.

Los efectos piel y proximidad consisten en que, cuando una corriente alterna pasa a travs de un conductor de un cable, se crea a su alrededor un campo magntico variable que induce una diferencia de tensin en su seno o en los conductores situados en su proximidad, lo que provoca unas corrientes que se oponen parcialmente a las que recorren estos conductores, ocasionando un aumento de su resistencia hmica y de las prdidas por efecto Joule que se generan en dichos cables.



Fig 1.19 Corriente por el conductor neutro: Carga no lineal

Fig 1.20 Seccin reducida

1.10 Legislacin La magnitud del problema de los armnicos est aumentando alarmantemente como consecuencia de la proliferacin de la electrnica de potencia, en todos los niveles del sistema, desde los puntos de generacin hasta la utilizacin de la energa elctrica.



Las empresas de suministro de energa aceptan la necesidad ineludible de establecer normativas, cuya implantacin requiere el desarrollo de sistemas de medida y control, de precisin y fiabilidad aceptables. Organizaciones internacionales tales como CENELEC, IEC o IEE mantienen Comits dedicados a la especificacin de normativas concretas en este campo. Organismos de normalizacin Los diferentes organismos que elaboran las normas que deben aplicar los instaladores y los fabricantes de material elctrico son los siguientes:

CEI: Comisin electrotcnica internacional. Las normas relacionadas con esta comisin son reconocidas por la designacin CEI

CENELEC: Comit europeo de normalizacin electrotcnica. Estas normas se identifican mediante la designacin EN, ENH o HD.

AENOR: Asociacin espaola de la normalizacin y certificacin. Se identifica con la designacin UNE.

Fig 1.21 Organismos de normalizacin

Una norma es un conjunto de reglas, de descripciones o incluso de metodologas que un fabricante utiliza como referencia, con el fin de definir el producto que fabrica y de realizar las pruebas de los productos elaborados. Cuando el CENELEC desea elaborar una norma por iniciativa propia, somete el proyecto de la norma a la CEI, quien asume la elaboracin de la norma a nivel internacional. Las normas relativas a la compatibilidad electromagntica (CEM) establecidas por la CEI llevaban en otro tiempo la referencia CEI 1000-X-X y las del CENELEC, la referencia EN 61000-X-X. Actualmente, para evitar confusiones, las normas CEI y EN emplean la misma referencia: la norma CEI 1000-X-X ser entonces equivalente a la norma EN 61000-X-X.



Fig1.22 Principales normas relativas a los armnicos

Normas CEI

Fig 1.23 Normas CEI. Los lmites en las corrientes armnicas de los equipos informticos son establecidos a travs de las clases A y D y en funcin de la potencia absorbida por dichos equipos



La clase D es la ms controvertida debido a que cuenta con una forma de onda especial generada por el circuito rectificador y el condensador de filtrado, la cual es la ms utilizada en la mayora de equipos electrnicos de alimentacin. En la mayora de aplicaciones mencionadas hasta ahora los equipos utilizados se catalogarn en clase A o D, dependiendo de si la forma de onda de la corriente de entrada en un semi-periodo (referida a su valor de pico) est dentro de la mscara definida en la figura, al menos el 95% de la duracin de cada semi-periodo, donde si esto se verifica dicho equipo pertenecer a la clase D. Norma IEE 519 La normativa ms reciente para el control del contenido armnico ha sido recopilada por el grupo de trabajo IEE-PES en el documento IEE 519. Los lmites recomendados se refieren a las condiciones ms desfavorables en rgimen permanente de funcionamiento; durante transitorios

(a) Voltaje Armnicas individuales (%) THD (%)

V < 69 kV 3.0 5.0 69kV



Se puede desarrollar un filtro acorde con ese armnico en particular para atenuarlo de manera significativa y si es posible anularlo.

Compensador activo de armnicos El compensador se intercala en paralelo entre la fuente y la carga, su funcionamiento est basado en el principio de reinyeccin de corriente. Este mtodo permite realizar un muestreo de los armnicos que hay en cada momento en la red y los corrige de forma prcticamente instantnea, pudiendo distinguir y tratar con independencia, los armnicos correspondientes a cada una de las fases en una instalacin trifsica, controlando y reduciendo tambin de manera muy eficaz, los armnicos que circulan por el neutro. [1_14]



Bibliografa bsica para estudio EDMINISTER, J. E. Circuitos elctricos. Ed. McGraw-Hill, 1991. FLICE, Eric. Perturbaciones armnicas. Ed. Paraninfo, 2000. HART, Daniel W. Electrnica de Potencia. Ed. Prentice Hall. Madrid 2001. ISBN 84-205-3179-0 PEREZ, A. A. Y OTROS. La amenaza de los armnicos y sus soluciones. Ed. Paraninfo, 1999. Bibliografa ampliacin ARRILLAGA, J; EGUILUZ, L. I. Armnicos en sistemas de potencia. Universidad de Cantabria. Elctrica Riesgo, 1994. DOVAL, J.; MARCOS, J. Potencia Elctrica y factor de potencia: Medida de las componentes con osciloscopios digitales. Mundo Electrnico. Mayo 2002. MANUAL FLUKE 43B





Tema 1.- Repaso conceptos: Potencia elctrica. Armnicos Tema 2.- Elementos semiconductores de potencia Diodo de potencia (caractersticas estticas y dinmicas. Conexin serie, conexin paralelo), tiempos de conmutacin. Transistor bipolar (Caractersticas. Tiempos de conmutacin. Calculo de la potencia disipada. Curva SOA y fenmenos de ruptura. Ataque y protecciones) Tema 3.- Disipacin de potencia

2.1 Diodo de Potencia 1 2.1.1 Caractersticas estticas 1 Modelos estticos del Diodo 1 Simbologa 1 Parmetros en estado de bloqueo 2 Parmetros en estado de conduccin 2 Potencia media disipada por el diodo en conduccin 3 2.1.2 Caractersticas dinmicas del Diodo de Potencia 4 Paso de conduccin a corte, Turn off 5 Paso de corte a conduccin, Turn on 7 2.1.3. Tipos de diodos de potencia 7 2.1.4. Asociacin de Diodos de Potencia 7 Asociacin de diodos en serie 7 Asociacin de diodos en paralelo 9 2.2 Transistor Bipolar, BJT 11 2.2.1 Caractersticas del transistor Bipolar 11 2.2.2 Tiempos de Conmutacin 14 2.2.3 Disipacin de potencia en conmutacin 15 2.2.4 Conmutacin del BJT. Circuitos de control 18 2.2.5 rea de funcionamiento seguro, SOA 20 2.2.6 Proteccin del BJT 21 2.2.7 Circuitos de proteccin del BJT 22 Red snubber para el transitorio Turn on (Encendido) 23 Red snubber para el transitorio Turn off (Apagado) 23 2.3 El Transistor Mosfet de Potencia 26 2.3.1 Regiones de trabajo del MOSFET 27 Regin hmica. 28 Regin Activa (Saturacin de Canal) 28 Regin de Corte 29 2.3.2 Circuitos de excitacin para mosfet 29 2.4 Transistor Bipolar de Puerta Aislada, IGBT 31 2.5 Optoacopladores 32 2.6 Rels de Estado Slido, SSR 32

TEMA 2: SEMICONDUCTORES DE POTENCIA


2.1 Diodo de Potencia

El elemento rectificador de potencia ms comn es el diodo de potencia. Las caractersticas de los diodos de potencia son, en general, similares a las de los diodos normales, idealmente presenta dos estados bien diferenciados: corte y conduccin. El paso de un estado a otro no se realiza de forma instantnea y en dispositivos en los que el funcionamiento se realiza a elevada frecuencia, es muy importante el tiempo de paso entre estados, puesto que ste acotar las frecuencias de trabajo.

En cuanto a mrgenes de funcionamiento, hay diodos que en estado de conduccin pueden llegar a soportar corrientes medias superiores a los 1.500 A llegando hasta tensiones inversas superiores a los 2.000 V. El silicio es el elemento semiconductor ms empleado puesto que es capaz de soportar elevadas intensidades en conduccin y grandes tensiones inversas con bajas corrientes de fuga en corte. El nico procedimiento de control posible, es invertir el voltaje entre nodo y ctodo.

2.1.1 CARACTERSTICAS ESTTICAS

Las caractersticas estticas del diodo de potencia, se estudian definiendo conceptos tales como modelos estticos y parmetros en estado de bloqueo y de conduccin.

Modelos estticos del Diodo

En estado de conduccin, tres son los modelos que podemos utilizar para el diodo semiconductor en funcin de la precisin que se requiera en los clculos. En la figura 2.2 estn representados junto con la curva tensin - intensidad que caracteriza a cada modelo.

Tensin de codo [2_1]

Curva real de un dispositivo [2_2]

Fig 2. 2 Modelos estticos del diodo a) Modelo ideal b) Primera aproximacin c) Segunda aproximacin, modelo real

El modelo ideal asemeja el diodo a un cortocircuito, despreciando la tensin de codo E, que s es considerada en la primera aproximacin. La resistencia interna RD, junto a la tensin de codo tambin se considera en la segunda aproximacin.

El modelo equivalente para el diodo de potencia en corte puede asemejarse a un interruptor abierto en el que se desprecian las corrientes de fuga del dispositivo.

Simbologa

La simbologa usada ms comnmente en electrnica de potencia se resume en el siguiente esquema, por ejemplo: VRSM Tensin inversa mxima no repetitiva

Fig 2.1 Diodo de potencia. Simbologa

+ vD - + vD - + vD -

(a) (b) (c)

E RD

i i i

vD vD vD E



Fig 2. 3 Simbologa empleada

Parmetros en estado de bloqueo

Cuando un diodo se encuentra en estado de bloqueo, es decir, cuando no conduce existen una serie de valores de tensin que no pueden ser sobrepasados. En la figura 2.4 se han representado los valores mximos de tensin inversa nodo - ctodo que puede soportar un diodo momentneamente o de manera continuada, sin que el dispositivo semiconductor corra el peligro de destruirse. VRWM Tensin inversa de trabajo mxima. Es la tensin que puede ser soportada por el diodo de

forma continuada sin peligro de calentamientos. VRRM Tensin inversa de pico repetitivo. Es la tensin que puede ser soportada en picos de 1 ms

repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido. VRSM Tensin inversa de pico no repetitivo. Es la tensin que puede ser soportada por una sola

vez cada 10 minutos o ms, con duracin de pico de 10 ms. VR Tensin de ruptura. Si es alcanzada, aunque sea por una sola vez con duracin de 10 ms o

menos, el diodo puede destruirse o al menos degradar sus caractersticas elctricas. IR Intensidad de fugas. Intensidad que circula por el dispositivo de potencia cuando est

bloqueado.

Fig 2. 4 Parmetros en estado de bloqueo. Tensiones inversas en el diodo

Parmetros en estado de conduccin

Cuando el diodo conduce tambin es importante no sobrepasar los valores de corriente permitidos por el dispositivo y que son facilitados por el fabricante. IF (AV) Intensidad en directo media nominal. Es el valor medio de la mxima intensidad de

impulsos senoidales de 180 que el diodo puede soportar con la cpsula mantenida a determinada temperatura.


Univ

electronica potencia1 1

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