Electronica Potencia

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E LECTRNICA DE P OTENCIA :Aspectos Generales y Convertidores Electrnicos

Alexander Bueno Montilla U NIVERSIDAD S IMN B OLVARDepartamento de Conversin y Transporte de Energa Febrero, 2012

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ndice general

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Conceptos Bsicos

13 3 4 5 5 6 6 6 7 7 8 8 8 9 10 10 10 10

1. Anlisis de los Circuitos Mediante Series de Fourier. 1.1. Serie de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Expresiones de la Serie de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Serie de Fourier forma compleja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Transformada Rpida de Fourier (FFT ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Simetra de la Funcin g(t ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1. Funcin Par . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2. Funcin Impar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3. Simetra de Media Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Coecientes de Fourier de Ondas Simtricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.1. Funciones Pares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.2. Funciones Impares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.3. Funciones con Simetra de Media Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Valor Efectivo o Ecaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8. Valor Medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9. Factor de Distorsin Armnica Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.10. Factor de Rizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11. Factor de Forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .III

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NDICE GENERAL 1.12. Anlisis de Circuitos Elctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.13. Clculo de Potencia Para Formas de Onda Peridicas No Sinusoidales . . . . . . . 1.13.1. Potencia Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.13.2. Potencia Aparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.13.3. Factor de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.14. Potencia de Distorsin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.15. Ejemplo de Aplicacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 12 12 13 13 13 15 18 19 19 19 20 21 21 22 22 23 24 25 25 26 29 31 31 31 33 34 35

2. Calidad de Servicio Elctrico 2.1. Transitorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Impulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Oscilaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Variaciones de Tensin de Corta Duracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Hueco o Sag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Oleaje o Swell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Interrupcin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Variaciones de Tensin de Larga Duracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Desbalance de tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Parpadeo de tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Desbalance de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Distorsin en la Forma de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Caracterstica y Clasicacin de los fenmenos Electromagnticos . . . . . . . . . 3. Circuitos con Interruptores 3.1. Deniciones: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Circuito Resistivo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Circuito Resistivo Capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Resolucin de la Ecuacin Diferencial en Corriente . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Solucin de la Ecuacin Diferencial Utilizando Transformada de Laplace .

NDICE GENERAL 3.3.3. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Circuito Resistivo Inductivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1. Resolucin de la Ecuacin Diferencial en Corriente: . . . . . . . . . . . . 3.4.2. Resolucin de la Ecuacin Diferencial por Transformada de Laplace . . . . 3.4.3. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1. Solucin Homognea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2. Solucin Particular Fuente Constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3. Solucin Particular (Rgimen Sinusoidal Permanente) . . . . . . . . . . . 3.5.4. Solucin Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4.1. Solucin Particular por el Mtodo Clsico. . . . . . . . . . . . .

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36 37 38 38 39 39 40 40 40 41 41 42 43

3.5.5. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Aspectos Generales y Dispositivos

4547 47 48 49 49 50 50 51 51 51 51 53 56

4. Introduccin 4.1. Resea Histrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Funciones Bsicas de los Convertidores Electrnicos de Potencia . . . . . . . . . . 4.3. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Residencial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Comercial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Industrial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4. Transporte: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5. Transmisin y Otras Utilidades: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Dispositivos Semiconductores de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Tiristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3. Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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NDICE GENERAL 4.4.4. Tiristores Auto Desactivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5. Transistores BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6. MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.7. IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.8. SIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Clasicacin de los Semiconductores de Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Seleccin de Semiconductores de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7. Ventajas y Desventajas de la Electrnica de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . 57 59 61 63 64 65 67 67

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Puentes AC - DC

6971 71 72 74 75 75 75 76 76 80 80 80 80 81 81 84 86 86

5. Recticadores de Media Onda No Controlado 5.1. Aspectos Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Recticador con Carga Resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Tensin Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3. Tensin Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4. Corriente Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5. Factor de Rizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Recticador con Carga Resistiva Inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Tensin Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3. Tensin Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4. Corriente Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.5. Factor de Rizado en Tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.6. Simulacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Recticador con Carga Inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1. Tensin Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

NDICE GENERAL 5.4.3. Tensin Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.4. Corriente Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.5. Simulacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Recticador con Diodo de Descarga Libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.1. Rgimen transitorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.2. Estado Estacionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.2.1. 5.5.2.2. 5.5.2.3. 5.5.2.4. Tensin Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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87 87 87 89 91 91 95 95 95 96 96 98 99

Tensin Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cor