Tema4 Electronica Potencia

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apuntes de control de maquinas de ingenieria electrica

Text of 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

    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