tema4 electronica potencia
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apuntes de control de maquinas de ingenieria electricaTRANSCRIPT
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 VdttvTV 841,0)(1
02
==
183,0222
=
==
ccR
ccRefR
ccR
alternaefRV
VVV
Vr
967'0//
2
2
====
RVRV
IVIV
PP
ef
cc
efef
cccc
t
ccr
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Rectificador trifsico de onda completa Funcionamiento con carga resistiva
Tensin de salida Componentes
Valor medio
Valor eficaz
Factor de rizado
Rendimiento de la rectificacin
Ejemplo 5
RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (VIII)
Figura 37: Rectificador 3F de onda comleta con carga resistiva
Control de Mquinas Elctricas 20
=
==
= ,...18,12,6
2 cos6cos
12133)(
2sen)(
n
mR
efmRN
tnn
n
Vtv
tsenVtVtv
pi
pi
efmm
CC VVVV 339,26540,133 ===
pi
m
T
RefR VdttvTV 6554,1)(1
02
==
038,0222
=
==
ccR
ccRefR
ccR
alternaefRV
VVV
Vr
998'0//
2
2
====
RVRV
IVIV
PP
ef
cc
efef
cccc
t
ccr
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Topologas Nmero de pulsos Funcionamiento en vaco
Tensin de salida Valor medio
Factor de rizado
RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (IX)
Figura 38: Rectificador 12 pulsosFigura 39: Tensin rectificada
Control de Mquinas Elctricas 21
psen
VpV mCCpi
pi
2=
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Rectificador 1F de media onda Angulo de encendido
Funcionamiento Tipo de carga Conduccin continua / disc. Conmutacin Cuadrantes de operacin
RECTIFICADORES CONTROLADOS (I)
Figura 40: Rectificador 1F semiondaFigura 41: Cuadrantes de operacin
2cos1
v(t)dt1)(V T
0cc
pi
+== m
VT
Control de Mquinas Elctricas 22
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Conmutacin Por carga Natural Forzada
Solapamiento = f (, IDC, LAC, UAC)
RECTIFICADORES CONTROLADOS (II)
Figura 42: Conmutacin por carga
Figura 44: Conmutacin forzadaFigura 43: Conmutacin natural
Control de Mquinas Elctricas 23
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
ngulo de encendido y cuadrante de operacin
RECTIFICADORES CONTROLADOS (III)
Figura 45: Rectificador 1F de onda completa con puente de Graetz y carga inductiva
Control de Mquinas Elctricas 24
pi
pi
coscos
2)(1 020 ccmcc VVdttv
TV ===
+
+++==
=
LtttI
tnn
Ii ccn
ccS pi
pi
5sen513sen
31
sen4
sen14
...5,3,1
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Rectificador monofsico 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
Control de Mquinas Elctricas 25
)(222
4 max11max1 pipi
=== ccSefSccS IIIII
)sen(-sencoscos
111
111
SSSSS
SSSSS
IVIVQIVIVP
==
==
pi
pi
cos9,0cos22cos
22
...
coscos...
11
===
===
cc
cc
S
S
SS
SSS
I
Ipdf
II
IVIV
SPpdf
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Rectificador monofsico de onda completa Funcionamiento como inversor ngulo de encendido Rgimen permanente
Tensin de salida
RECTIFICADORES CONTROLADOS (V)
Control de Mquinas Elctricas 26
[ ]180,90coscos
2)(1 020
=== +
pi
pi
ccm
cc VVdttv
TV
Figura 47: Rectificador 1F de onda completa. Funcionamiento como inversor
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Rectificador monofsico 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
Control de Mquinas Elctricas 27
)(222
4 max11max1 pipi
=== ccSefSccS IIIII
0)sen(-sen0coscos
111
111
>==
Puentes trifsicos Referencia de ngulo Secuencia de encendido Conduccin continua Conmutacin Solapamiento, cada de tensin Armnicos, Reactiva, I red
RECTIFICADORES CONTROLADOS (VII)
Figura 50: Rectificador 3F semionda
Figura 52: I red / carga Figura 51: Solapamiento
Control de Mquinas Elctricas 28
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Rectificador trifsico 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 iR
Ejemplo 7
RECTIFICADORES CONTROLADOS (VIII)
Figura 53: Rectificador 3F de onda completa con puente de Graetz y carga inductiva
Control de Mquinas Elctricas 29
pi
pi
pi
coscos33)(1 03
2
3
20 cc
mcc V
VdttvT
V === +
+
=
=
...5,3,1)(sen
3n
sen14)(
n
ccR ntn
n
Iti pi
pi
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Rectificador trifsico de onda completa Funcionamiento como inversor ngulo de encendido Rgimen permanente
Tensin de salida
RECTIFICADORES CONTROLADOS (IX)
Control de Mquinas Elctricas 30
[ ]180,90coscos
33)(1 032
3
20
=== +
+
pi
pi
pi
ccm
cc VVdttv
TV
Figura 54: Rectificador 3F controlado de onda completa. Funcionamiento como inversor
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Configuraciones Tiristores/Triacs Tipo de carga Tipos de control Aplicaciones
Alumbrado Arranque motores Calefaccin
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
Control de Mquinas Elctricas 31
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Chopper directo o reductor de tensin Funcionamiento con carga genrica
Tensin de salida Regulacin PWM Frecuencia de conmutacin y rizado
Intensidad de carga Valor medio Formas de onda
Ejemplo 8
REGULADORES DC-DC AUTOCONMUTADOS(I)
Figura 58: Regulador DC/DCreductor de tensin
Control de Mquinas Elctricas 32
SON
Scc kVTtVV ==
REVI cccc
=
)1()(
0)(
)1()(
)(
//max0
00
//min0
00
tt
OFF
tSt
SON
eRE
eIti
EdtdiLRit
eR
EVeIti
EdtdiLRiVt
+=
++=
+=
++=
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Chopper inverso Funcionamiento con carga genrica
Tensin de salida Regulacin PWM
Intensidad de carga Sentido de circulacin, aplicaciones
Valor medio Formas de onda
REGULADORES DC-DC AUTOCONMUTADOS(II)
Figura 59: Regulador DC/DC inverso (i0
Chopper de dos y cuatro cuadrantes Funcionamiento con carga genrica
Tensin de salida Regulacin PWM (tON de S1) Signos de tensin e intensidad
Ejemplo 9
REGULADORES DC-DC AUTOCONMUTADOS(III)
Figura 60: Chopper de dos cuadrantes
Control de Mquinas Elctricas 34
Figura 61: Chopper de cuatro cuadrantes
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Inversor monofsico de media onda Dispositivos autoconmutados Elementos en conduccin Tensin de salida Frecuencia
Inversor monofsico de onda completa Tensin de salida
INVERSORES DC/AC (I)
Figura 62: Inversor 1F semiondaFigura 63: Inversor 1F en puente
Control de Mquinas Elctricas 35
=
=
...5,3,10 sen
12n
S tnn
Vv
pi
=
=
...5,3,10 sen
14n
S tnn
Vv
pi
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Tcnicas de modulacin Modulacin PWM/MAP Frecuencia de conmutacin Un solo pulso
Impulsos mltiples Cancelacin selectiva Modulacin senoidal
INVERSORES DC/AC (II)
Figura 64: Modulacin 1 pulso
Figura 66: Cancelacin selectiva
Control de Mquinas Elctricas 36
Figura 65: Modulacin mltiple
2sen
4
sen2
sen14
10
...5,3,10
pi
pi
Sm
n
S
VV
tnn
n
Vv
=
= =
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Modulacin PWM senoidal Regulacin de tensin Regulacin de frecuencia Frecuencia de conmutacin Conmutacin unipolar/bipolar
INVERSORES DC/AC (III)
Control de Mquinas Elctricas 37
Figura 67: Modulacin senoidalFigura 68: Armnicos de alta frecuencia
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Inversor trifsico de onda completa Salida por bloques Secuencia de disparos Regulacin de frecuencia Tensin de salida de lnea
INVERSORES DC/AC (IV)
Control de Mquinas Elctricas 38
Figura 70: Tensin de salidaFigura 69: Inversor trifsico de tensin
++=
== =
...11 sen1117 sen
715 sen
51
sen32
sen6
cos14
...5,3,1
ttttV
v
tnn
n
Vvvv
SRS
n
SSNRNRS
pi
pi
pi
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Variacin VDC VDC = VDC0 cos Ancho pulso salida ( 120 )
Variacin ancho pulso Simtrico
Reactiva, armnicos
INVERSOR DE TENSIN. SALIDA POR BLOQUES
Figura 71: Salida por bloques
Control de Mquinas Elctricas 39
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Topologa Regulacin de frecuencia
Conmutaciones Regulacin de amplitud
Inductancia Sobretensiones
INVERSOR CON FUENTE DE INTENSIDAD
Figura 72: Inversor CSI Figura 74: Secuencia transitoria de conmutacin
Figura 73: Tensin, intensidad
Control de Mquinas Elctricas 40
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
CONVERTIDORES DE FRECUENCIA
Figura 75: Cuadro comparativo de convertidores de frecuencia para motores de induccin
Control de Mquinas Elctricas 41
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA
Convertidores AC/AC Entrada a V, f ctes Salida a V, f variables Lmites operativos Secuencia de disparos Armnicos e interarmnicos
CICLOCONVERTIDORES (AC/AC)
Control de Mquinas Elctricas 42
Figura 77: Cicloconvertidor trifsico (Esquema para una fase)Figura 76: Cicloconvertidor monofsico
TEMA 4. ELECTRNICA DE POTENCIA