UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – I Introducción a la electrónica de potencia - Aplicaciones.

Presentación del tema: "UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – I Introducción a la electrónica de potencia - Aplicaciones."— Transcripción de la presentación:

1 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Introducción a la electrónica de potencia - Aplicaciones

2 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Es la parte de la Electrónica encargada del estudio de dispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos para el procesamiento, control y conversión de la energía eléctrica. Aplicación del estado sólido para el control y conversión de la energía eléctrica.

3 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Electrónica de Potencia Señal Entrada Fuente auxiliar de potencia Señal tratada Salida Potencia Entrada Señal de cebado Potencia modificada Salida Electrónica de SeñalElectrónica de Potencia Amplificación Amplificación Ganancia Ganancia Conversión Conversión Rendimiento Rendimiento

4 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Electrónica de potencia  transformación de la energía eléctrica Fuente Primaria Fuente Primaria - Red - Baterías - Panelas solares - Generadores Eólicos - Etc. Circuito de Potencia Carga Circuito de Control o mando Circuito de Control o mando - Resistencia - Baterías - Lámparas - Motores - Etc. gobiernoinformación

5 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Sistemas de Potencia Rectificadores controlados y no controlados Rectificadores controlados y no controlados Troceadores, F. A. Troceadores, F. A. Inversores, Onduladores Cicloconvertidor, Reguladores AC Cicloconvertidor, Reguladores AC AC DC

6 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I RECTIFICADORESINVERSORES Convierten CA en CC. Relación constante Diodos Relación variable Tiristores Si son reversibles Inversor no autónomo Convierten CC en CA. Relación de frecuencia fija o variable Cicloconvertidor Regulador de AC Regulador de CC Convierten CA de voltaje constante en CA de voltaje variable y misma frecuencia Convierten CC de voltaje constante en CC de voltaje variable. Son Reguladores de AC de distinta frecuencia. Sistemas de Potencia

7 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I ARQUITECTURA DE CONVERTIDORES Carga1 a V 1 Carga2 a V 2 Carga3 a V 3 Fuente 1 Fuente 2 + + - Bus DC Convertidor1 (AC/AC) Convertidor3 (DC/DC bidirec.) Convertidor2 (AC/DC) Convertidor4 (DC/DC) Convertidor 5 (DC/AC) Bus AC

8 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Aplicaciones de los Equipos Electrónicos de Potencia Aplicaciones de baja potencia (< 10 kW) – Domésticas – Equipos de Oficina – Industriales y comerciales Aplicaciones de media potencia (10-1000 kW, low voltage) – Industriales – Telecomunicaciones – Accionadores Aplicaciones de alta potencia (> 1000 kW, high voltage) – Tracción – Transmisión

9 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Media: 100W – 1kW Cargadores de Baterías Balastos Eléctricos (HID) Secadores Reguladores de Velocidad Baja: <100W Alarmas Balastos Electrónicos (Fluorescentes) Fuentes de alimentación Herramientas Eléctricas. Alta: 1kW – 100kW Hornos de Inducción Accionadores para Locomotoras Secadores Soldadura automática Muy Alta: 100kW – 100MW Reguladores de Tomas (Alta tensión) Inversores para generadores Inversores no autónomos para generadores Rangos de potencia según el tipo de aplicación

10 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Sistemas de Potencia Procedimientos Electromecánicos  Menor robustez eléctrica, al disponer de menor capacidad para soportar sobretensiones y sobrecorrientes.  Mayor coste para algunas de sus aplicaciones. Mayor flexibilidad y más posibilidades de control. Mayor estabilidad y mayor rapidez de respuesta, Menor mantenimiento Mayor vida media y mayor fiabilidad. No producción del arco eléctrico. Procedimientos Electrónicos

11 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Nuevas y Emergentes Áreas de Aplicación EFICIENCIA ENERGÉTICA ELECTRÓNICA PORTÁTIL ELECTRÓNICA DE POTENCIA MEDIO- AMBIENTE 2ª REVOLUCIÓN INDUSTRIAL Balastos electrónicos Almacenadores magnét. Sist. de transmisión HVDC, HVAC Comunicación sin cable Equipos con baterías Control de emisiones Calidad de la Potencia consumida Vehículos eléctricos / híbridos Calentamiento por Inducción Automatización de empresas Robótica Control de velocidad variable

12 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Requisitos del dispositivo electrónico de potencia Tener dos estados: alta impedancia (bloqueo) y baja impedancia (conducción). Capacidad de soportar grandes intensidades con pequeñas caídas de tensión en estado de conducción y grandes tensiones con pequeñas corrientes de fugas en estado de bloqueo. Controlabilidad de paso de un estado a otro con facilidad y poca potencia. Rapidez de funcionamiento y capacidad de trabajo a elevadas frecuencias. tiristor.De los dispositivos electrónicos que cumplen los requisitos anteriores, los más importantes son el IGBT y el tiristor. Estos dispositivos tienen dos electrodos principales y un tercer electrodo de control.

13 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Conmutadores Controlables Pequeña corriente de fugas en el estado de OFF. Pequeña tensión en el estado de ON para minimizar las pérdidas por conducción. Cortos tiempos de turn-on y turn-off. Esto posibilitará su utilización a frecuencias elevadas. Gran capacidad de bloquear tensión directa e inversa. Gran capacidad de conducir corrientes elevadas. Así no se necesitarán paralelizar componentes. Coeficiente de temperatura positivo en la resistencia del estado de conducción. Esto asegura que al paralelizar componentes. Pequeña potencia para el control. Capacidad para resistir tensión y corriente simultáneamente durante las transiciones de los estados. Así se eliminará la utilización de snubber. Grandes di/dt y dv/dt. Esto minimizará la necesidad de utilizar redes externas de protección.

14 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I CLASIFICACIÓN DELOS CONMUTADORES CONTROLABLES CLASIFICACIÓN DELOS CONMUTADORES CONTROLABLES CONMUTACIÓN FORZADA Cuando los conmutadores controlables son llevados a corte y a conducción a frecuencias mayores que la frecuencia de la red. (Troceadores, Inversores y Onduladores autónomos). CONMUTACIÓN FORZADA Cuando los conmutadores controlables son llevados a corte y a conducción a frecuencias mayores que la frecuencia de la red. (Troceadores, Inversores y Onduladores autónomos). CONMUTACIÓN NATURAL Cuando la fuente de tensión primaria facilita el paso a corte de los semiconductores. Además dichos semiconductores pasan a conducción en fase con la frecuencia de la tensión de entrada. (Rectificadores, Reguladores de ac y Cicloconvertidores.) CONMUTACIÓN NATURAL Cuando la fuente de tensión primaria facilita el paso a corte de los semiconductores. Además dichos semiconductores pasan a conducción en fase con la frecuencia de la tensión de entrada. (Rectificadores, Reguladores de ac y Cicloconvertidores.)

15 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Tendencia en materiales semiconductores Ge Si Ga As Si C Diamante

16 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I 1ra Clase Evolución temporal de los principales dispositivos 1950 60 70 80 90 2000 10 BJTs MOSFETs IGBTs MCTs MOSFETs de carburo de silicio

17 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I 1ra Clase Aumento de la potencia 1980 84 88 92 AÑO 10 2 10 7 10 5 10 4 10 3 10 6 MARGEN DE POTENCIA (V·A) IGBT MCT MOSFET

18 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Dispositivos empleados en los convertidores de potencia (I) Dispositivos Electrónicos u Sin control: Diodos u Con control de encendido: Tiristores u Con control total: Transistores u Transformadores u Bobinas u Condensadores Dispositivos Pasivos

19 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Dispositivos empleados en los convertidores de potencia (II) Diodos de Potencia uDiodos de tres capas uMayor sección uProblemas de velocidad uProblemas térmicos Ánodo Cátodo n+n+ p+p+ n-n- uSólo control de encendido uMuy robustos uBaja frecuencia uTecnología muy madura Cátodo Ánodo Cátodo n+n+ p+p+ n-n- p-p- Puerta Tiristores (SCR)

20 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Tipo transistor uGTO (tiristor apagado por puerta) uTransistor MOSFET de potencia uIGBT (transistor bipolar de puerta aislada) uOtros muchos en evolución Dispositivos empleados en los convertidores de potencia (III)

21 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Dispositivos empleados en los convertidores de potencia (IV) GTO uControl de encendido y apagado (difícil) uMuy robustos uBaja frecuencia (mayor que los SCR’s) Cátodo Ánodo Cátodo n+n+ p+p+ n-n- p-p- Puerta

22 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Dispositivos empleados en los convertidores de potencia (V) MOSFET de potencia uFácil control de encendido y apagado uAlta frecuencia (mayor que los otros) uResistivo en conducción Puerta Drenador Fuente n+n+ n-n- p IGBT uFácil control de encendido y apagado uFrecuencia entre BJT y MOSFET uCasi como un BJT en conducción n+n+ n-n- p-p- p+p+ Puerta Emisor Colector

23 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Dispositivos empleados en los convertidores de potencia (VI) 10 2 10 7 10 5 10 4 10 3 10 6 MARGEN DE POTENCIA (V·A) IGBT MOSFET 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 GTO SCR BJT FRECUENCIA (Hz)

24 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Montaje de los semiconductores de potencia (I) Radiador Tuerca Tiristor Montaje 1Montaje 2 Radiador Tuerca Transistor

25 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Montaje de los semiconductores de potencia (II) Montaje 3 Radiador Press-package

26 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Componentes Semiconductores de Potencia DIODOS Schottky: V f =0.3V, V RM =50-100V Rápidos: trr=50ns-5us, V RM =400V De red: trr=25us V RM =kV. If=kA

27 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Componentes Semiconductores de PotenciaTIRISTORES Tensión de bloqueo directa Corriente de fugas directa Corriente de fugas inversa Tensión inversa de bloqueo Caída directa de tensión en ON Tensión directa de ruptura Corriente de enganche Corriente de mantenimiento Tensión inversa de ruptura V AK < 0 : zona de bloqueo inverso. comportándose como un diodo. V AK > 0 sin disparo zona de bloqueo directo. el tiristor se comporta como un circuito abierto hasta alcanzar el voltaje de ruptura directa. V AK > 0 con disparo zona de conducción

28 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Metal-Oxide-Semiconductor Fiel Effect Transistor Alta impedancia de entrada Coef. Tª positivo : paralelizables Rapidez en las conmutaciones Rds(on) Dispositivo controlado por tensión

29 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Insulated Gate Bipolar Transistor Controlado por tensión Conduce elevadas corrientes con Vf menor Tamaño IGBT = 1.2 BJT = 2.2 MOSFET

30 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Principios básicos de funcionamiento de los convertidores de potencia (I) Funcionamiento en conmutación  bajas pérdidas Potencia de entrada y salida Rendimiento Regulador disipativo convencional En zona activa Muy malo

31 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Principios básicos de funcionamiento de los convertidores de potencia (II) Funcionamiento en conmutación  bajas pérdidas Q (Conmutación) Interruptor Regulador conmutado

32 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Principios básicos de funcionamiento de los convertidores de potencia (III)

33 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Convertidores CA/CC: rectificadores (I) Rectificadores no controlados Rectificador monofásico de onda completa Rectificador trifásico de media onda

34 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Convertidores CA/CC: rectificadores (II) Rectificadores controlados Principio de funcionamiento Rectificador controlado trifásico de media onda

35 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Convertidores CC/CC: reguladores (I) Convertidores CC/CC sin transformador VEVE VSVS VEVE VSVS Reductor Elevador ALTA FRECUENCIA  TAMAÑO REDUCIDO

36 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Convertidores CC/CC: reguladores (II) Convertidores CC/CC con transformador Directo (Forward) De retroceso (Flyback)

37 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Convertidores CC/CA: inversores (I) Inversor de onda cuadrada en medio puente Alterna

38 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Convertidores CC/CA: inversores (II) Inversor de onda cuadrada en puente completo Alterna

39 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Convertidores de potencia: aplicaciones (I) SAI on-line Sistemas de alimentación ininterrumpible SAI off-line

40 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Convertidores de potencia: aplicaciones (II) Motor trifásico de inducción Sistemas de alimentación de motores uControl de velocidad y par del motor uPermite arranque suave uSe puede conseguir frenado regenerativo del motor

41 UNMSM – FACULTAD ING. ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA I – 2009 -I Gracias por su atención