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NINGUN EQUIPO ELECTRONICO ES MEJOR QUE SU FUENTE DE ALIMENTACION LAS FUENTES DE ALIMENTACION DEL FUTURO DEBEN SER INVISIBLES SILENCIOSAS FRIAS BAJO COSTO.

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1 NINGUN EQUIPO ELECTRONICO ES MEJOR QUE SU FUENTE DE ALIMENTACION LAS FUENTES DE ALIMENTACION DEL FUTURO DEBEN SER INVISIBLES SILENCIOSAS FRIAS BAJO COSTO Una vez definido el concepto de mi fuente de alimentación el diseño fue muy fácil

2 LA VISION MACRO

3 1 siglo de desarrollos ENIAC 1943 Conversores DC-DC Conversores DC-AC Cambiador de frecuencia Wilson, Power Electronics Evolution

4 Pienso que hay un mercado mundial para unos cinco computadores Thomas J. Watson Jr, Presidente IBM (1943) ENIAC Construido por Penn's Moore School of Electrical Engineering en 6 meses, Costo $500,000 Peso: 27 T 17,468 tubos, 7,200 diodos, 1500 relevos, 70 mil resistencias, 10 mil condensadores 5 millones de uniones de soldadura 2.4m x 1m x 30m Fuente 150kW 5000 adiciones-substracciones por segundo Where a calculator like theENIAC today is equipped with18,000 vacuum tubes and weighs 30 tons, computers in the future may have only 1,000 vacuum tubes and perhaps weigh only half a ton. – Popular Mechanics, March 1949

5 La construcción de la EdP Thomas Lippo U de Wisconsin Cimientos Aplicaciones domésticas Paredes Aplicaciones industriales Defensa, aeroespacio Comercial Tracción Techo Red de generación, transmisión y distribución.

6 Mercado de controladores de Motores en billones* de Euros * Billones europeos

7 Disponibilidad mundial de recursos energéticos Bose, U de Tenessee

8 Record de emisiones de CO2

9 Crecimiento de emisiones de CO²

10 Proyección de elevación del nivel del mar

11 Por qué es importante la EdP Alta eficiencia (98-99%) Medios para ahorrar energía Habilidad para reducir tamaño de soluciones energéticas. Crítica para el uso de las energías renovables Crítica para el uso de sistemas de almacenamiento de energía Areas claves Control de motores para bombas, ventiladores y compresores*. Control de velocidad de motores Iluminación Sistemas de transporte. * Representan 65% consumo electricidad Estados Unidos

12 Area Tecnológica Metas para el 2050 (ONU) Infraestructura Garantizar disponibilidad universal de agua potable, sistemas sanitarios, energía comercial y comunicaciones. Electrificación Lograr electrificación global, incluyendo servicios de electricidad de ~1000 KWH/persona/año Eficiencia energética Duplicar la eficiencia de la cadena energética, del 5 al 10% Decarbonización Triplicar la tasa de decarbonización, del 0.3% por año al 1% por año en el 2030 Uso de la tierra Incrementar la productividad de las cosechas en 2%/año y retornar al menos 1/4 de las tierras cultivadas a su estdo natural Uso aguaReducir el uso del agua en agricultura e industrial en 50% TransporteElectrificar el 50% del transporte mundial Ecología Industrial Reducir los desechos industriales a casi cero y minimizar la necesidad de nuevas fuentes de materias primas Educación Garantizar acceso universal a la educación y al entrenamiento técnico Weiners, Brad, Eight Technologies that will change the worlds, Business 2.0, June 2002 EPRI, Electric Power Research Institute, Electricity Technology Roadmap 1999

13 Tecnologías críticas para el desarrollo sostenible Catalizador tecnológico Refuerzo de la estructura de suministro de energía Habilitación redes de servicio Incremento de la productividad económica y prosperidad Resolución del conflicto energía/carbón Manejo desarrollo sostenido Generación distribuida Electrónica de potencia Tecnología basada en microprocesadores Tecnología de información en tiempo real Materiales avanzados Biotecnología Manejo ambiental Fuerte influencia Influencia menor pero aún significativa

14 Edison no se sorprendería

15 Generación y Transmisión AC Distorsión Calidad Distancia Pérdidas AC Distorsión Calidad Distancia Pérdidas

16 Consumo de electricidad China kWH Indexmundi.com

17 Como compara con Colombia China construye dos centrales generadoras por semana (UK Foreign Office) Las pérdidas de transmisión y generación de la China son equivalentes a 5.6 veces la energía consumida en Colombia. Si China reduce sus pérdidas en 1.1% es equivalente a ahorrar toda la energía generada en Colombia en un año

18 Factor de Planta Consumo varía a lo largo del año y durante el día y la noche Para satisfacer la demanda se requiere capacidad de reserva. Factor de planta relaciona consumo promedio a consumo pico Fuente CPES

19 Precio histórico del kWh USA Fuente Mc Nernie, Universidad de Boston Durante el precio de las fuentes de alimentación se ha reducido hasta en un 50%

20 Evolución de la red eléctrica Fuente ABB Renovables Transmisión DC Almacenamiento

21 Comparaciones de emisiones de polutantes

22 Beneficios de las energías alternas Empleos creados por millón de dólares invertidos Impacto de tecnologías solares e incremento de instalaciones en Estados Unidos Fuente: Asociación fabricantes páneles solares USA

23 Opciones de almacenamiento Fuente: Electric Power Research Institute

24 Manejo flexible de métodos de almacenamiento Sistema bidireccional de alta eficiencia Capacidad de manejo de pulsos de alta energía Capacidad ilimitada de carga y descarga

25 Pérdidas de Transmisión en DC

26 Expectativas próximos 15 años

27 Expectativas próximos 20 años Desarrollos en nuevos materiales capaces de operar a altas temperaturas con reducidas pérdidas de conmutación y alta conductividad térmica. Incremento en operación a alto voltaje, altas frecuencias Mejora en eficiencia y densidad de potencia Incremento en capacidad de corriente Incremento en el parámetro de costo beneficio Capacidad de inyectar potencia reactiva en líneas de transmisión Habilidad para controlar el flujo y transferencia de potencia. Incrementar capacidad de manejo de fallas de sistemas Reducir costo Incremento en confiabilidad y durabilidad

28 Desarrollo de interruptores Capacidad de conmutación Capacidad de interrumpir corriente Capacidad de limitar corriente Capacidad de bloquear voltaje

29 Por qué la red inteligente (smart grid) Jackson, Texas A&M Muestra de consumo usuarios Indiana y escenarios de consumo de acuerdo a políticas de ahorro de energía

30 Smart grid (red inteligente) Una red eléctrica que integra de manera inteligente las acciones de los usuarios conectados a ella, generadores, consumidores y los que hacen ambas funciones (www.smartgrids.eu).www.smartgrids.eu La red inteligente representa una evolución de l sistema eléctrico que incluye Nueva Interacción de transmisión y distribución con la integración de fuentes renovables de energía, incremento de confiabilidad y eficiencia de la red. Integración de nuevas tecnologías como la integración a gran escala de vehículos eléctricos Automatización y control de dispositivos en la cadena de valor desde producción hasta consumo

31 Configuración de una nanored Fuente CPES

32 Evolución de la nano-red Comunicación inalámbrica Voltage corrector factor de potencia Voltaje comunicación, PoE, carros eléctricos

33 Integración de diferentes redes inteligentes

34 Los detalles INTERMEDIO

35 TUTORIAL DC-DC Tiempo real demora Rampa proporcional al voltaje de entrada Rampa puede ser modificada por la corriente del inductor Vo= Vi.D R+Ri R V pk D= V pk V EA analogo Digital K FB K EA K MOD Vo= Vi. V pk (R+Ri) RV EA

36 control ABCDTOPOLOGIAFORMULA D1-DONOFFREDUCTORV o =V i D ONOFF1-DDELEVADORV o =V i /(1-D) DOFF1-DOFF - REDUCTOR - ELEVADOR V o =-V i D/(1-D) D1-D D -REDUCTOR -ELEVADOR V o =V i D/(1-D) ViVi VoVo

37 OPCIONES FUENTES CONMUTADAS PARAMETROIMPLEMENTACIONRESULTADO TOPOLOGIA TREN DE POTENCIA BASICO DOS INTERRUPTORES, UN CONDENSADOR, UN INDUCTOR REDUCTOR ELEVADOR INVERSOR TOPOLOGIA TREN DE POTENCIA EXPANDIDO INDUCTOR DOS DEVANADOS TRANSFORMADOR REDUCTOR ELEVADOR INVERSOR CON AISLAMIENTO CICLO ÚTILDEFINIDO POR AMPLIFICADOR DE ERROR FUENTE CONTROLADA DC-DC CICLO ÚTILMODULADOFUENTE CONTROLADA DC-AC Frecuencia de operaciónIncremento frecuencia Reducción frecuencia Reducción tamaño, costo Incremento eficiencia Reducción pérdidas TECNICA CONTROLANALOGICA DIGITAL TECNICA MODELADOCIRCUITO PROMEDIOMODELO CONTINUO (TRANSFORMADA LAPLACE) TECNICA MODELADOCIRCUITO DIGITALMODELO DISCRETO (TRANSFORMADA Z)

38 Respuesta dinámica conversor dc-dc

39 Ancho de banda y frequencia de conmutación amplificadores 3G

40 Control digital (CPES)

41 Demoras en control digital

42 Control digital permite novedosas alternativas de control

43 LA TAREA DEL EQUIPO DE DISEÑO (Visión puntual)

44 ARQUITECTURE DE POTENCIA DE UN PC PORTATIL Para el caso Colombiano cada vatio consumido por el procesador requiere la generación de mas de 2W.

45 BLOQUEREQUERIMIENTOIMPLEMENTACION ADAPTADOR AC-DCOperación universal Corrección factor potencia Eficiencia Protección contra sobre-voltajes Uso seguro (usuario, riesgo incendio) EMC V AC, Hz IEC61000 contenido harmónicos Energy star, Código de Conducta EU IEC61000 IEC61950, UL61950 MARCA CE CARGADOR/ BUS INTERMEDIO Energía bus intermedio Carga batería voltaje, corriente, temporizado, temperatura Protección NVDC (Intel) Requerimientos específicos fabricante REGULADOR PROCESADOR Suministro alimentación procesador Ajuste de voltajes Respuesta dinámica a variaciones de corriente 1000A/µs Requerimientos específicos fabricante TODOSCosto mínimo Calentamiento mínimo (confiabilidad) Eficiencia máxima TODOSROHAS Substancias prohibidas Cadmium, mercury, thallium, plomo Soldadura libre de plomo TODOSRECICLAJE Cada kg de equipo electrónico genera 5 kg de desechos EU directiva disposición equipo electrónico

46 Survey de conversores dc-dc (CPES)

47 Ley de EdP P*f = K K crece continuamente µA

48 Ley EdP (Powerex)

49 Ley EdP (IMEC)

50 Factor K Fuente: PSMA (Power supply Manufacturing Association) 3 categorías 1kW conversor de entrada con corrección de factor de potencia y aislamiento 100W ladrillos con aislamiento 200W ladrillos sin aislamiento

51 Resumen de las 3 categorías

52

53 Futuro de integración horizontal CPES

54 Factor K sistemas automotivos Fuente: NRAL (National renewable energy laboratory

55 MANEJO TERMICO AUTO HIBRIDO

56 Evolución de las fuentes de procesador Fuente Intel

57 Ley de Moore El número de transistores se duplica con cada nueva generación: half-pitch se reduce por un factor de 2 Las pérdidas son función del número de transistores, voltaje aplicado, capacidades y resistencias parásitas

58 Vision 2005 ITRS (International technology roadmap for semiconductors)

59 Ley Moore 2010 SOCs son mas sensitivos a precios

60 EVOLUCION DE LOS VOLTAJES

61 Procesos de señal mixta CMOS Reducción agresiva de tamaño Reducción agresiva de voltaje Analógico Reducción de tamaño agresiva Reducción de voltaje agresivo Pasivos con buena precisión Potencia Reducción de tamaño limitada Reducción de voltaje limitada Mejora desempeño de potencia CMOS Reducción agresiva de tamaño Reducción agresiva de voltaje Analógico Reducción de tamaño agresiva Reducción de voltaje agresivo Pasivos con buena precisión Potencia Reducción de tamaño limitada Reducción de voltaje limitada Mejora desempeño de potencia

62

63 PMBUS structure for voltage control

64 64 VARIACIONES ESTADISTICAS VOLTAJE SALIDA

65 UN NUEVO PARADIGMA

66 Desarrollo tecnológico de portátiles Es una tecnología madura Mayoría bloques tecnológicos avanzan en escala exponencial Desarrollo de baterías es mucho mas lento Fuente Paradiso MIT

67 Un enfoque diferente Optimización dinámica de componentes para reducir consumo mediante ajustes e voltaje y velocidad de operación Diseño híbrido (señal mixta) análogo-digital. Circuitos de control inactivos la mayoría del tiempo, funcionalidad reducida a un mínimo Sistema despierta periódicamente. Utilizar fuentes gratuitas de energía. Generar estructuras que conviertan esta energía a forma eléctrica Diseñar circuitos de muy alta eficiencia que permitan almacenar la energía eléctrica.

68 Fuente Rincón-Mora Georgia Tech

69 Ejemplo de SIP para cosecha de energía Fuente Rincón Mora Georgia Tech Autocontenido, Autosostenido. Celda fotovoltaica (luz) Generador termoeléctrico (calor generada por la celda) Condensador variable (vibraciones) Condensador transicional para almacenar energía Micro batería Cargador Controlador de salida Potencia cosechada 115 µW Potencia sistema 100µW 5mW transmisión por 5ms 3.75mW recepción por 5ms Muestreo de 500 ms

70 Conclusión, siempre en movimiento Después de cerca de 40 años tenemos idea de la forma de la casa hemos puesto los cimientos. Reforzar las paredes y poner el techo nos puede tomar otros 40 años. Al menos podemos soñar en el día en que podamos parar y admirar todo nuestro trabajo. Sin embargo, de momento es trabajo en progreso. T Lippo, Wisconsin University

71 GRACIAS Luis Huertas


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