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