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



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


Figura 5: Categoras y smbolos


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


Figura 8: Caractersticas dinmicas


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


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


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


DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (VI)


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

Figura 18: Caractersticas estticas

Figura 19: Caractersticas dinmicas Figura 20: Grupo Darlington


DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (VII)


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


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


DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (IX)


Comparacin componentes Valores nominales Frecuencia de conmutacin Evolucin tecnolgica

Figura 27: Tabla comparativa entre componentes/dispositivos


DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA (X)


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



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


=

+=

==

,...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


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


+===

==+=

+=+=

+=

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)(


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


Figura 32: Rectificador 1F media onda con conduccin continua

pim

cc

VV =


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


Valor medio

Valor eficaz

Factor de rizado


RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (IV)

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


=

=

==

,...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 ==


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


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


=

=

==

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

2sen)(

n

mmR

efmS

tnn

VVtv

tsenVtVtv

pipi


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


=

=

...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


Rectificador trifsico de media onda Funcionamiento con carga resistiva


Valor medio

Valor eficaz

Factor de rizado


RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (VII)

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


=

==

= ,...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


Rectificador trifsico de onda completa Funcionamiento con carga resistiva


Valor medio

Valor eficaz

Factor de rizado


Ejemplo 5

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS (VIII)

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


=

==

= ,...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


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


psen

VpV mCCpi

pi

2=


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



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



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

Tensin de salida


Componentes de la intensidad iS

ngulo de encendido y cuadrante de operacin

RECTIFICADORES CONTROLADOS (III)



pi

pi

coscos

2)(1 020 ccmcc VVdttv

TV ===

+

+++==

=

LtttI

tnn

Ii ccn

ccS pi

pi

5sen513sen

31

sen4

sen14

...5,3,1


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


)(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


Rectificador monofsico de onda completa Funcionamiento como inversor ngulo de encendido Rgimen permanente

Tensin de salida

RECTIFICADORES CONTROLADOS (V)


[ ]180,90coscos

2)(1 020

=== +

pi

pi

ccm

cc VVdttv

TV

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


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


)(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



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

Tensin de salida


Componentes de la intensidad iR

Ejemplo 7

RECTIFICADORES CONTROLADOS (VIII)



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


Rectificador trifsico de onda completa Funcionamiento como inversor ngulo de encendido Rgimen permanente

Tensin de salida

RECTIFICADORES CONTROLADOS (IX)


[ ]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


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



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


SON

Scc kVTtVV ==

REVI cccc

=

)1()(

0)(

)1()(

)(

//max0

00

//min0

00

tt

OFF

tSt

SON

eRE

eIti

EdtdiLRit

eR

EVeIti

EdtdiLRiVt

+=

++=

+=

++=


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


Figura 61: Chopper de cuatro cuadrantes


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


=

=

...5,3,10 sen

12n

S tnn

Vv

pi

=

=

...5,3,10 sen

14n

S tnn

Vv

pi


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


Figura 65: Modulacin mltiple

2sen

4

sen2

sen14

10

...5,3,10

pi

pi

Sm

n

S

VV

tnn

n

Vv

=

= =


Modulacin PWM senoidal Regulacin de tensin Regulacin de frecuencia Frecuencia de conmutacin Conmutacin unipolar/bipolar

INVERSORES DC/AC (III)


Figura 67: Modulacin senoidalFigura 68: Armnicos de alta frecuencia


Inversor trifsico de onda completa Salida por bloques Secuencia de disparos Regulacin de frecuencia Tensin de salida de lnea

INVERSORES DC/AC (IV)


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


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



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



CONVERTIDORES DE FRECUENCIA

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



Convertidores AC/AC Entrada a V, f ctes Salida a V, f variables Lmites operativos Secuencia de disparos Armnicos e interarmnicos

CICLOCONVERTIDORES (AC/AC)


Figura 77: Cicloconvertidor trifsico (Esquema para una fase)Figura 76: Cicloconvertidor monofsico


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