tema4 electronica potencia

ELECTRÓNICA DE POTENCIAPARA ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS

• Dispositivos electrónicos básicos

• Clasificación de convertidores

• Rectificadores no controlados

• Rectificadores controlados

• Convertidores DC-DC conmutados

• Inversores

• Convertidores AC-AC

• Rendimiento

TEMA 4. ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Control de Máquinas Eléctricas 1

• Funcionamiento básico– Materiales semiconductores

– Conductividad, enlaces covalentes

– Efecto de la temperatura

– Dopaje: tipo N (5e), tipo P (3e)– Portadores de carga, recombinaciones

• Unión PN– Funcionamiento sin tensión

– Polarización directa• Caida de tensión

– Polarización inversa• Tensión de ruptura inversa

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (I)

Figura 1: Materiales semiconductores

Figura 2: Polarización de la unión PN



• Funcionamiento ON-OFF

• Interruptor ideal– IOFF, VON bajas

– ION, VOFF altas

– Rapidez conmutación

– du/dt, di/dt altas

– V, I control bajas

– Transitorios de conmutación

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (II)

Figura 3: Interruptor ideal

Figura 4: Control de la potencia


Figura 5: Categorías y símbolos


• Diodo– Estructura

– Bloqueo y conducción

– Circuito equivalente

– Curvas características

– Características dinámicas

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (III)

Figura 6: Estructura y forma constructiva

Figura 7: Características real e ideal


Figura 8: Características dinámicas


• Tiristor (SCR) – Estructura interna

– Conducción • Intensidad de mantenimiento

– Bloqueo• Directo/inverso

• Natural/forzado

– Curvas característicasFigura 9: Estructura y simbología

Figura 11: Características real e ideal Figura 10: Característica estática


DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (IV)


• Tiristor (SCR) – Características de puerta

– Circuitos de disparo y bloqueo

– Características dinámicas• Tiempo de apagado

• Encendido por sobretensión (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: Características de puerta


DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (V)


• Tiristor GTO (Gate turn-off)– Funcionamiento

– Conducción• Intensidad de mantenimiento iH

– Bloqueo• diG /dt negativa, UGC negativa

– Pérdidas en conmutación

Figura 15: Símbolo, corriente de puerta

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


DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (VI)


• Transistor BJT de potencia – Características estáticas

– Ganancia IB - IC

– Características dinámicas

– Pérdidas

Figura 18: Características estáticas

Figura 19: Características dinámicas Figura 20: Grupo Darlington


DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (VII)


• Transistor MOSFET– MOS Field Effect Transistor

– Estructura interna

– Control de puerta

– Frecuencia de conmutación

– Pérdidas en conducción (RON)

– Tensión de bloqueo

Figura 22: Simbología y forma constructiva

Figura 21: Canal de deplexión y funcionamiento del MOSFET Figura 23: Características estáticas


DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (VIII)


• Transistor IGBT– Isolated Gate Bipolar Transistor

– Estructura y características

– Circuito de disparo

– Comparativa con MOSFET, BJT

Figura 24: Estructura y símbolo IGBT

Figura 26: Características estáticas IGBT Figura 25: Circuito de disparo


DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (IX)


• Comparación componentes– Valores nominales


– Evolución tecnológica

Figura 27: Tabla comparativa entre componentes/dispositivos


DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA (X)


• Clasificación Funcional– AC/DC : Rectificadores

– DC/DC: Reguladores, chopper

– DC/AC: Inversores, onduladores

– AC/AC: Cicloconvertidor, regulador de alterna

• Conmutación– Propia (Autoconmutados)

– Natural

– Forzada

CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS

• Red (V,I)

• Carga (f.c.e.m.)

• Fuente V cte.

• Fuente I cte.

• No controlados (D)

• Controlados (SCR)

Figura 28: Convertidor de frecuencia



• Rectificador monofásico de media onda– Funcionamiento con carga resistiva

• Tensión de salida– Componentes

– Valor medio

– Valor eficaz

– Factor de rizado

– Rendimiento de la rectificación

• Ejemplo 1

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (I)

Figura 29: Rectificador 1F media onda con carga resistiva


∑= −

−+=

==

,...6,4,22

cos1

12

2)(

2sen)(

n

mmmR

efmS

tnn

Vtsen

VVtv

tsenVtVtv

ωπ

ωπ

ωω

efmm

CC VVV

V 450'0318'0 ===π

2)(

10

2 mT

RefR

Vdttv

TV == ∫

211'12

22

=−

==ccR

ccRefR

ccR

alternaefR

V

VV

V

Vr

405'04

2 ====π

µefef

cccc

t

ccr IV

IV

P

P


• Rectificador monofásico de media onda– Funcionamiento con carga RL

• Tensión de salida– Transitorio por ciclo

– Ángulo de apagado

– Valor medio de la tensión

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (II)

Figura 30: Rectificador 1F media onda con carga inductiva


⋅+−=→==

==+=

+−=+=

+=

−

−

τ

τ

θθω

τωθω

θω

ω

tm

tm

tRP

m

etZ

Vtiti

RLR

LtgLRZ

AetZ

Vtititi

Ridt

diLtV

sen)(sen)(0)0(Si

/;)(;)(

)(sen)()()(

sen

0

22

)cos1(2

sen2 0

Ψ−== ∫Ψ

παα

πmm

cc

Vd

VV

atti ωθπθ =+=Ψ→≈Ψ→= 0)-( sen0)(


• Rectificador monofásico de media onda– Diodo volante o de libre circulación (freewheeling diode)

• Tensión de salida

• Corriente de red/coriente de carga

• Conducción continua/discontinua

• Ejemplo 2

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (III)

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


Figura 32: Rectificador 1F media onda con conducción continua

πm

cc

VV =


• Rectificador monofásico de onda completa– Transformador con toma central

– Funcionamiento con carga resistiva


– Valor medio

– Valor eficaz



RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (IV)

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


∑= −

−=

==

,...6,4,22

cos1

142)(

2sen)(

n

mmR

efmS

tnn

VVtv

tsenVtVtv

ωππ

ωω

efmm

CC VVV

V 9'0637'02 ===π

484,02

22

=−

==ccR

ccRefR

ccR

alternaefR

V

VV

V

Vr

811'08

2 ====π

µefef

cccc

t

ccr IV

IV

P

P

2)(

10

2 mT

RefR

Vdttv

TV == ∫


• Rectificador monofásico de onda completa– Puente de Graetz

– Funcionamiento con carga resistiva


– Valor medio

– Valor eficaz



• Variantes– Número de diodos

– Tensión inversa máxima mitad

• Ejemplo 3

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (V)

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


∑= −

−=

==

,...6,4,22

cos1

142)(

2sen)(

n

mmR

efmS

tnn

VVtv

tsenVtVtv

ωππ

ωω



– Funcionamiento con carga inductiva


• 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


∑= −

−=...6,4,2

2cos

1

142

n

mmR tn

n

VVv ω

ππ

∑=

−−

⋅⋅

−⋅

=...6,4,2

2)(cos

1

1142

nn

n

mmR tn

nZ

V

R

Vi ϕω

ππ

+++== ∑=

LtttI

tnn

Ii cc

n

ccS ωωω

πω

π5sen

5

13sen

3

1sen

4sen

14

...5,3,1


• Rectificador trifásico de media onda– Funcionamiento con carga resistiva


– Valor medio

– Valor eficaz



RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (VII)

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


−−=

==

∑= ,...9,6,3

2cos

3cos

1

21

2

33)(

2sen)(

n

mR

efmRN

tnn

n

Vtv

tsenVtVtv

ωππ

ωω

efmm

CC VVV

V 169,1827,02

33 ===π

m

T

RefR VdttvT

V 841,0)(1

0

2 == ∫

183,02

22

=−

==ccR

ccRefR

ccR

alternaefR

V

VV

V

Vr

967'0/

/2

2

====RV

RV

IV

IV

P

P

ef

cc

efef

cccc

t

ccrµ


• Rectificador trifásico de onda completa– Funcionamiento con carga resistiva


– Valor medio

– Valor eficaz



• Ejemplo 5

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (VIII)

Figura 37: Rectificador 3F de onda comleta con carga resistiva


−−=

==

∑= ,...18,12,6

2cos

6cos

1

21

33)(

2sen)(

n

mR

efmRN

tnn

n

Vtv

tsenVtVtv

ωππ

ωω

efmm

CC VVV

V 339,26540,133 ===π

m

T

RefR VdttvT

V 6554,1)(1

0

2 == ∫

038,02

22

=−

==ccR

ccRefR

ccR

alternaefR

V

VV

V

Vr

998'0/

/2

2

====RV

RV

IV

IV

P

P

ef

cc

efef

cccc

t

ccrµ


• Topologías– Número de pulsos

– Funcionamiento en vacío

• Tensión de salida– Valor medio


RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (IX)

Figura 38: Rectificador 12 pulsosFigura 39: Tensión rectificada


psen

VpV m

CC

ππ

2=


• Rectificador 1F de media onda– Angulo de encendido

• Funcionamiento

– Tipo de carga

– Conducción continua / disc.

– Conmutación

– Cuadrantes de operación

RECTIFICADORES CONTROLADOS (I)

Figura 40: Rectificador 1F semiondaFigura 41: Cuadrantes de operación

2

cos1v(t)dt

1)(V

T

0

cc

απ

α +⋅== ∫ mV

T



• Conmutación– Por carga

– Natural

– Forzada

• Solapamiento– µ = f (α, IDC, LAC, UAC)

RECTIFICADORES CONTROLADOS (II)

Figura 42: Conmutación por carga

Figura 44: Conmutación forzadaFigura 43: Conmutación natural







– Componentes de la intensidad iS

• Ángulo de encendido y cuadrante de operación

RECTIFICADORES CONTROLADOS (III)



ααπ

πα

αcoscos

2)(

10

20 cc

mcc V

Vdttv

TV === ∫

+

+++== ∑=

LtttI

tnn

Ii cc

n

ccS ωωω

πω

π5sen

5

13sen

3

1sen

4sen

14

...5,3,1


• Rectificador monofásico de onda completa– Funcionamiento con carga inductiva

• Lado de red

– Factor de desplazamiento

– Potencias activa y reactiva

– Factor de potencia

RECTIFICADORES CONTROLADOS (IV)

Figura 46: Rectificador controlado 1F. Circuito equivalente y diagrama fasorial


)(22

2

4 max11max1 α

ππ−∠==⇒= cc

SefS

ccS I

II

II

)sen(-sen

coscos

111

111

αφαφ

SSSSS

SSSSS

IVIVQ

IVIVP

====

ααπ

απ

αφ

cos9,0cos22

cos

22

...

coscos... 11

===

===

cc

cc

S

S

SS

SSS

I

Ipdf

I

I

IV

IV

S

Ppdf


• Rectificador monofásico de onda completa– Funcionamiento como inversor

– Ángulo de encendido

– Régimen permanente


RECTIFICADORES CONTROLADOS (V)


[ ]º180,º90

coscos2

)(1

020

∈

=== ∫+

α

ααπ

πα

α ccm

cc VV

dttvT

V

Figura 47: Rectificador 1F de onda completa. Funcionamiento como inversor


• Rectificador monofásico de onda completa– Funcionamiento como inversor

• Lado de red

– Factor de desplazamiento

– Potencias activa y reactiva

– Factor de potencia

• Ejemplo 6

RECTIFICADORES CONTROLADOS (VI)

Figura 48: Rectificador controlado 1F. Circuito equivalente y diagrama fasorial


)(22

2

4 max11max1 α

ππ−∠==⇒= cc

SefS

ccS I

II

II

0)sen(-sen

0coscos

111

111

>==<==

αφαφ

SSSSS

SSSSS

IVIVQ

IVIVP

ααπ

απ

αφ

cos9,0cos22

cos

22

...

coscos... 11

===

===

cc

cc

S

S

SS

SSS

I

Ipdf

I

I

IV

IV

S

Ppdf

Figura 49: Convertidor dual o doble


• Puentes trifásicos– Referencia de ángulo

– Secuencia de encendido

– Conducción continua

– Conmutación

– Solapamiento, caída de tensión

– Armónicos, Reactiva, I red

RECTIFICADORES CONTROLADOS (VII)

Figura 50: Rectificador 3F semionda

Figura 52: I red / carga Figura 51: Solapamiento



• Rectificador trifásico de onda completa– Puente de Graetz




– Componentes de la intensidad iR

• Ejemplo 7

RECTIFICADORES CONTROLADOS (VIII)



ααπ

παπα

coscos33

)(1

03

2

3

20 cc

mcc V

Vdttv

TV === ∫

+

+

∑=

−=...5,3,1

)(sen3

nsen

14)(

n

ccR ntn

n

Iti αωπ

π


• Rectificador trifásico de onda completa– Funcionamiento como inversor

– Ángulo de encendido

– Régimen permanente


RECTIFICADORES CONTROLADOS (IX)


[ ]º180,º90

coscos33

)(1

03

2

3

20

∈

=== ∫+

+

α

ααπ

παπα cc

mcc V

Vdttv

TV

Figura 54: Rectificador 3F controlado de onda completa. Funcionamiento como inversor


• Configuraciones– Tiristores/Triacs– Tipo de carga

– Tipos de control– Aplicaciones

• Alumbrado

• Arranque motores

• Calefacción

REGULADORES DE CORRIENTE ALTERNA

Figura 56: Regulador de alterna por control de fase. Carga inductiva

Figura 55: Regulador de alterna por control de fase. Carga resistiva.

Figura 57: Regulador de alterna con control on-off



• Chopper directo o reductor de tensión– Funcionamiento con carga genérica

• Tensión de salida– Regulación PWM

– Frecuencia de conmutación y rizado

• Intensidad de carga– Valor medio

– Formas de onda

• Ejemplo 8

REGULADORES DC-DC AUTOCONMUTADOS(I)

Figura 58: Regulador DC/DCreductor de tensión


SON

Scc kVT

tVV ==

R

EVI cc

cc

−=

)1()(

0)(

)1()(

)(

//max0

00

//min0

00

ττ

ττ

tt

OFF

tSt

SON

eR

EeIti

Edt

diLRit

eR

EVeIti

Edt

diLRiVt

−−

−−

−−+=

++=

−−+=

++=


• Chopper inverso– Funcionamiento con carga genérica

• Tensión de salida– Regulación PWM

• Intensidad de carga– Sentido de circulación, aplicaciones

– Valor medio

– Formas de onda

REGULADORES DC-DC AUTOCONMUTADOS(II)

Figura 59: Regulador DC/DC inverso (i0 <0)


SDSOFF

Scc VkVkT

tVV 2)1( =−==

0<−=R

EVI cc

cc

)1()(

)(

)1()(

0)(

//max0

00

//min0

00

ττ

ττ

tSt

SOFF

tt

ON

eR

EVeIti

Edt

diLRiVt

eR

EeIti

Edt

diLRit

−−

−−

−−+=

++=

−−+=

++=


• Chopper de dos y cuatro cuadrantes– Funcionamiento con carga genérica

• Tensión de salida– Regulación PWM (tON de S1)

– Signos de tensión e intensidad

• Ejemplo 9

REGULADORES DC-DC AUTOCONMUTADOS(III)

Figura 60: Chopper de dos cuadrantes


Figura 61: Chopper de cuatro cuadrantes


• Inversor monofásico de media onda

– Dispositivos autoconmutados

– Elementos en conducción

– Tensión de salida

– Frecuencia

• Inversor monofásico de onda completa

– Tensión de salida

INVERSORES DC/AC (I)

Figura 62: Inversor 1F semiondaFigura 63: Inversor 1F en puente


∑=

=...5,3,1

0 sen12

n

S tnn

Vv ω

π

∑=

=...5,3,1

0 sen14

n

S tnn

Vv ω

π


• Técnicas de modulación

– Modulación PWM/MAP


– Un solo pulso

– Impulsos múltiples

– Cancelación selectiva

– Modulación senoidal

INVERSORES DC/AC (II)

Figura 64: Modulación 1 pulso

Figura 66: Cancelación selectiva


Figura 65: Modulación múltiple

2sen

4

sen2

sen14

10

...5,3,10

δπ

ωδπ

Sm

n

S

VV

tnn

n

Vv

=

= ∑=


• Modulación PWM senoidal

– Regulación de tensión

– Regulación de frecuencia


– Conmutación unipolar/bipolar

INVERSORES DC/AC (III)


Figura 67: Modulación senoidalFigura 68: Armónicos de alta frecuencia


• Inversor trifásico de onda completa

– Salida por bloques

– Secuencia de disparos

– Regulación de frecuencia

– Tensión de salida de línea

INVERSORES DC/AC (IV)


Figura 70: Tensión de salidaFigura 69: Inversor trifásico de tensión

++−−=

=−= ∑=

...11 sen11

17 sen

7

15 sen

5

1 sen

32

sen6

cos14

...5,3,1

ttttV

v

tnn

n

Vvvv

SRS

n

SSNRNRS

ωωωωπ

ωππ


• Variación VDC

– VDC = VDC0 cos α

– Ancho pulso salida ( 120º )

• Variación ancho pulso– Simétrico

– Reactiva, armónicos

INVERSOR DE TENSIÓN. SALIDA POR BLOQUES

Figura 71: Salida por bloques



• Topología

• Regulación de frecuencia– Conmutaciones

• Regulación de amplitud– Inductancia

– Sobretensiones

INVERSOR CON FUENTE DE INTENSIDAD

Figura 72: Inversor CSIFigura 74: Secuencia

transitoria de conmutaciónFigura 73: Tensión,

intensidad



CONVERTIDORES DE FRECUENCIA

Figura 75: Cuadro comparativo de convertidores de frecuencia para motores de inducción



• Convertidores AC/AC

– Entrada a V, f ctes

– Salida a V, f variables

– Límites operativos

– Secuencia de disparos

– Armónicos e interarmónicos

CICLOCONVERTIDORES (AC/AC)


Figura 77: Cicloconvertidor trifásico (Esquema para una fase)

Figura 76: Cicloconvertidor monofásico


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