tema4 electronica potencia

ELECTRNICA DE POTENCIAPARA ACCIONAMIENTOS ELCTRICOS

Dispositivos electrnicos bsicos Clasificacin de convertidores Rectificadores no controlados Rectificadores controlados Convertidores DC-DC conmutados Inversores Convertidores AC-AC Rendimiento

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Control de Mquinas Elctricas 1

Funcionamiento bsico Materiales semiconductores Conductividad, enlaces covalentes Efecto de la temperatura Dopaje: tipo N (5e), tipo P (3e) Portadores de carga, recombinaciones

Unin PN Funcionamiento sin tensin Polarizacin directa

Caida de tensin Polarizacin inversa

Tensin de ruptura inversa

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (I)

Figura 1: Materiales semiconductores

Figura 2: Polarizacin de la unin PN

Control de Mquinas Elctricas 2

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Funcionamiento ON-OFF Interruptor ideal

IOFF, VON bajas ION, VOFF altas Rapidez conmutacin du/dt, di/dt altas V, I control bajas Transitorios de conmutacin

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (II)

Figura 3: Interruptor ideal

Figura 4: Control de la potencia

Control de Mquinas Elctricas 3

Figura 5: Categoras y smbolos

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Diodo Estructura Bloqueo y conduccin Circuito equivalente Curvas caractersticas Caractersticas dinmicas

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (III)

Figura 6: Estructura y forma constructiva

Figura 7: Caractersticas real e ideal

Control de Mquinas Elctricas 4

Figura 8: Caractersticas dinmicas

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Tiristor (SCR) Estructura interna Conduccin

Intensidad de mantenimiento Bloqueo

Directo/inverso Natural/forzado

Curvas caractersticasFigura 9: Estructura y simbologa

Figura 11: Caractersticas real e ideal Figura 10: Caracterstica esttica

Control de Mquinas Elctricas 5

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (IV)TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Tiristor (SCR) Caractersticas de puerta Circuitos de disparo y bloqueo Caractersticas dinmicas

Tiempo de apagado Encendido por sobretensin (dv/dt) Circuitos snubber Inductancia de alisado (di/dt)

Dispositivos Triac

Figura 14: TRIAC de potencia

Figura 12: Circuitos de disparo y bloqueo

Figura 13: Caractersticas de puerta

Control de Mquinas Elctricas 6

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (V)TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Tiristor GTO (Gate turn-off) Funcionamiento Conduccin

Intensidad de mantenimiento iH Bloqueo

diG /dt negativa, UGC negativa Prdidas en conmutacin

Figura 15: Smbolo, corriente de puerta

Figura 16: Bloqueo en circuito resistivo Figura 17: GTO + snubber

Control de Mquinas Elctricas 7

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (VI)

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Transistor BJT de potencia Caractersticas estticas Ganancia IB - IC Caractersticas dinmicas Prdidas

Figura 18: Caractersticas estticas

Figura 19: Caractersticas dinmicas Figura 20: Grupo Darlington

Control de Mquinas Elctricas 8

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (VII)

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Transistor MOSFET MOS Field Effect Transistor Estructura interna Control de puerta Frecuencia de conmutacin Prdidas en conduccin (RON) Tensin de bloqueo

Figura 22: Simbologa y forma constructiva

Figura 21: Canal de deplexin y funcionamiento del MOSFET Figura 23: Caractersticas estticas

Control de Mquinas Elctricas 9

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (VIII)TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Transistor IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor

Estructura y caractersticas Circuito de disparo Comparativa con MOSFET, BJT

Figura 24: Estructura y smbolo IGBT

Figura 26: Caractersticas estticas IGBT Figura 25: Circuito de disparo

Control de Mquinas Elctricas 10

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (IX)

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Comparacin componentes Valores nominales Frecuencia de conmutacin Evolucin tecnolgica

Figura 27: Tabla comparativa entre componentes/dispositivos

Control de Mquinas Elctricas 11

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (X)

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Clasificacin Funcional AC/DC : Rectificadores

DC/DC: Reguladores, chopper

DC/AC: Inversores, onduladores

AC/AC: Cicloconvertidor, regulador de alterna

Conmutacin Propia (Autoconmutados) Natural Forzada

CONVERTIDORES ELECTRNICOS

Red (V,I) Carga (f.c.e.m.)

Fuente V cte.

Fuente I cte.

No controlados (D) Controlados (SCR)

Figura 28: Convertidor de frecuencia

Control de Mquinas Elctricas 12

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Rectificador monofsico de media onda Funcionamiento con carga resistiva

Tensin de salida Componentes

Valor medio

Valor eficaz

Factor de rizado

Rendimiento de la rectificacin

Ejemplo 1

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (I)

Figura 29: Rectificador 1F media onda con carga resistiva

Control de Mquinas Elctricas 13

=

+=

==

,...6,4,22 cos112

2)(

2sen)(

n

mmmR

efmS

tnn

Vtsen

VVtv

tsenVtVtv

pi

pi

efmm

CC VVVV 450'0318'0 ===pi

2)(1

02 mT

RefRVdttv

TV ==

211'1222

=

==

ccR

ccRefR

ccR

alternaefRV

VVV

Vr

405'042 ==== pi

efef

cccc

t

ccr IV

IVPP

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Rectificador monofsico de media onda Funcionamiento con carga RL

Tensin de salida Transitorio por ciclo

ngulo de apagado

Valor medio de la tensin

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (II)

Figura 30: Rectificador 1F media onda con carga inductiva

Control de Mquinas Elctricas 14

+===

==+=

+=+=

+=

tm

tm

tRP

m

etZ

Vtiti

RLR

LtgLRZ

AetZ

Vtititi

RidtdiLtV

sen)(sen)(0)0(Si

/;)(;)(

)(sen)()()(

sen

0

22

)cos1(2

sen2 0

==

pi

pimm

cc

VdVV

atti pi =+== 0)-( sen0)(

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Rectificador monofsico de media onda Diodo volante o de libre circulacin (freewheeling diode)

Tensin de salida Corriente de red/coriente de carga Conduccin continua/discontinua Ejemplo 2

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (III)

Figura 31: Rectificador 1F media onda con carga inductiva y diodo volante

Control de Mquinas Elctricas 15

Figura 32: Rectificador 1F media onda con conduccin continua

pim

cc

VV =

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Rectificador monofsico de onda completa Transformador con toma central Funcionamiento con carga resistiva

Tensin de salida Componentes

Valor medio

Valor eficaz

Factor de rizado

Rendimiento de la rectificacin

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (IV)

Figura 33: Rectificador 1F de onda completa con transformador con toma media

Control de Mquinas Elctricas 16

=

=

==

,...6,4,22 cos1142)(

2sen)(

n

mmR

efmS

tnn

VVtv

tsenVtVtv

pipi

efmm

CC VVVV 9'0637'02 ===pi

484,0222

=

==

ccR

ccRefR

ccR

alternaefRV

VVV

Vr

811'082 ==== pi

efef

cccc

t

ccr IV

IVPP

2)(1

02 mT

RefRVdttv

TV ==

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Rectificador monofsico de onda completa Puente de Graetz Funcionamiento con carga resistiva

Tensin de salida Componentes

Valor medio Valor eficaz Factor de rizado Rendimiento de la rectificacin

Variantes Nmero de diodos Tensin inversa mxima mitad

Ejemplo 3

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (V)

Figura 34: Rectificador 1F de onda completa con puente de Graetz

Control de Mquinas Elctricas 17

=

=

==

,...6,4,22 cos1142)(

2sen)(

n

mmR

efmS

tnn

VVtv

tsenVtVtv

pipi

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Rectificador monofsico de onda completa Puente de Graetz Funcionamiento con carga inductiva

Tensin de salida

Intensidades de entrada y salida Rizado de la intensidad de carga i0

Componentes de la intensidad iS

Ejemplo 4

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (VI)

Figura 35: Rectificador 1F de onda completa con puente de Graetz y carga inductiva

Control de Mquinas Elctricas 18

=

=

...6,4,22 cos1142

n

mm

R tnn

VVv

pipi

=

=

...6,4,22 )(cos11142

n

n

n

mm

R tnnZ

VR

Vi

pipi

+++==

=

LtttI

tnn

Ii ccn

ccS pi

pi

5sen513sen

31

sen4

sen14

...5,3,1

TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA

Rectificador trifsico de media onda Funcionamiento con carga resistiva

Tensin de salida Componentes

Valor medio

Valor eficaz

Factor de rizado

Rendimiento de la rectificacin

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (VII)

Figura 36: Rectificador 3F de media onda con carga resistiva

Control de Mquinas Elctricas 19

=

==

= ,...9,6,3

2 cos3cos

121

233)(

2sen)(

n

mR

efmRN

tnn

n

Vtv

tsenVtVtv

pi

pi

efmm

CC VVVV 169,1827,0

233

===

pi

m

T

RefR