Primer Cuatrimestre 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación Optativa: Sistemas Electrónicos de Alimentación Universidad de Oviedo Departamento de Ingeniería.

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1 Primer Cuatrimestre 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación Optativa: Sistemas Electrónicos de Alimentación Universidad de Oviedo Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas

2 Sistemas Electrónicos de Alimentación ProfesorJavier Sebastián Zúñiga Área de Tecnología Electrónica Tlf: 985 18 20 85 E-mail: sebas@uniovi.es Edificio 3, primera planta, despacho 3.1.21 Página web: http://www.unioviedo.es/sebas/ Datos de contacto Investigación Sistemas de Alimentación Convertidores CC/CC y CA/CC Corrección del Factor de Potencia Rectificación Síncrona Modelado de Convertidores Tutorías Martes: 9h 15’-11h 15’ Miércoles: 12h 40’-13h 40’ Viernes: 10h 15’-13h 15’

3 Sistemas Electrónicos de Alimentación Curso: 5º Titulación: Ingeniero de Telecomunicación Créditos Teoría: 3 Prácticas de Tablero: 1,5 Prácticas de Laboratorio: 1,5 Total: 6 Horas de Teoría: 30 Horas de PT: 15 Horas de PL: 15 Total: 60 Sistemas Electrónicos de Alimentación Optativa. 1 er Cuatrimestre Horario Lunes: 16:00 - 17:00 Martes: 17:00 - 19:00 13 lunes x 1 = 13 horas 14 martes x 2 = 28 horas Total = 41 horas Curso 10/11 Prácticas 7 prácticas x 2 horas = 14 horas

4 Sistemas Electrónicos de Alimentación Funcionamiento de la asignatura Exámenes 25 de enero. 8 h 30’. 27 de mayo. 11h 30’. 5 de julio. 18 h. Examen de los contenidos teóricos (3 puntos) Construcción de forma tutelada un convertidor CC/CC (4 puntos) Realización de un trabajo de fin de curso (3 puntos)

5 J. A. Gualda S. Martínez y P. M. Martínez. “Electrónica Industrial: Técnicas de Potencia”. Editorial Marcombo. N. Mohan, T. M. Undeland y W. P. Robbins. “Power Electronics: Converters, Applications and Design”. Ed. John Wiley and Sons M.H.Rashid. “Power Electronics, Circuits, Devices and Applications”. Ed. Prentice Hall. R.W Erickson y D. Maksimovic. “Fundamentals of Power Electronics”. Kluwer Academic Publishers. D.W Hart. “Electrónica de Potencia”. Prentice Hall. J. G. Kassakian, M. F. Schlecht y G. C. Verghese, “Principles of Power Electronics”. Addison-Wesley, 1992. Sistemas Electrónicos de Alimentación Bibliografía

6 Contenidos de la Asignatura Estudiar los circuitos que sirven para transformar la energía obtenida de una fuente primaria y adecuarla convenientemente para poder alimentar a otro equipo cualquiera FUENTE DE ENERGÍA CC o CA CARGA CC o CA CONVERTIDOR ELECTRÓNICO Sistemas Electrónicos de Alimentación El curso se centrará en la alimentación de cargas de continua

7 FUENTE DE ENERGÍA CC o CA CONVERTIDOR ELECTRÓNICO CARGA CC o CA Conversión CC/CC Conversión CA/CC Aplicaciones Componentes específicos TEMARIO Parte 1: Introducción Parte 2: Dispositivos de Potencia Parte 3: Convertidores Parte 4: Aplicaciones y temas complementarios Sistemas Electrónicos de Alimentación

8 Lección 1: Introducción Lección 2: Especificaciones de fuentes de alimentación Lección 3: Circuitos de mando Lección 4: Diodos de potencia Lección 5: El MOSFET de potencia Lección 6: Componentes magnéticos Lección 7: Convertidores CC/CC Lección 8: Modelado dinámico de convertidores Lección 9: Corrección del factor de potencia Lección 10: Arquitecturas de sistemas de alimentación Lección 11: Temas complementarios Sistemas Electrónicos de Alimentación Parte 1 Parte 2 Parte 3 Parte 4 TEMARIO

9 PRÁCTICAS DE LABORATORIO 7 Sesiones de prácticas de laboratorio Sistemas Electrónicos de Alimentación Objetivo: Construcción real de un convertidor CC/CC elevador (Boost) de 12 V a 19 V, para alimentar un ordenador portátil desde la batería de un coche. Familiarización con el laboratorio, su instrumentación y la soldadura en placa de circuito impreso. Montaje provisional del circuito de mando en bucle abierto. Cálculo y construcción del componente magnético. Montaje de la etapa de potencia y pruebas en bucle abierto. Verificación de la función de transferencia del control en bucle abierto. Cálculo y montaje del regulador y pruebas en lazo cerrado.

10 Sistemas Electrónicos de Alimentación Proyectos Fin de Carrera Es posible realizar el Proyecto Fin de Carrera en temas de Sistemas de Alimentación Corrección del Factor de Potencia Rectificación Síncrona Paneles Solares Generación Eólica Sistemas de Alimentación Ininterrumpida Convertidores CC/CC y CA/CC Características Generales de los Proyectos Realización física de prototipos Especificaciones similares a las de equipos reales Trabajo en el Laboratorio de Convertidores Duración en torno a los 6 / 7 meses de trabajo (jornada completa) Posibilidad de realizar parte del Proyecto Fin de Carrera en: - La Agencia Espacial Europea (ESA) en Noordwijk, Holanda - Ikerlan en Mondragón

11 Lección 1 Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación INTRODUCCIÓN Universidad de Oviedo

12 Introducción Campos de la Electrónica Electrónica Digital Sistemas inteligentes Control de procesos Tratamiento de datos Comunicaciones Electrónica Analógica Sistemas de baja frecuencia Tratamiento de señales Instrumentación Electrónica Sensores Captación de datos Tratamiento de las señales de los sensores Optoelectrónica Transmisión de datos Captura de información Electrónica de Comunicaciones Receptores Transmisores Transceptores

13 Introducción ¿Cómo se alimentan todos esos circuitos? TODOS los circuitos electrónicos requieren una tensión de alimentación específica En general, los circuitos se alimentan con una tensión continua En función de la aplicación, la tensión de alimentación necesaria puede variar entre 1V y 100V La energía que demandan los circuitos se puede obtener de diversas fuentes: La red eléctrica Una batería Un panel solar Un generador eólico Un generador eléctrico (p.ej. movido con gasolina) En general, la energía que se obtiene de la fuente no puede ser usada directamente por el equipo que se quiere alimentar Es necesario transformar la energía eléctrica

14 Introducción ¿Cómo se transforma la energía eléctrica? Utilizando circuitos específicos cuya misión es precisamente tomar la energía de la fuente y transformarla de forma adecuada para que pueda ser usada por la carga. A este tipo de circuitos se les llama CONVERTIDORES Las fuentes de energía se pueden dividir en dos categorías: Tensión alterna: red eléctrica, aerogeneradores, generadores, etc. Tensión continua: baterías, paneles solares, pilas de combustible, etc. Las cargas también se pueden dividir en dos categorías: De tensión continua: circuitos electrónicos en general De tensión alterna: muchos motores (los más robustos) y cargas que por facilidad se alimentan en alterna CARGA CC o CA FUENTE DE ENERGÍA CC o CA CONVERTIDOR ELECTRÓNICO

15 Introducción Tipos de convertidores En función de la fuente de energía y de la carga, tenemos 4 tipos de convertidores: Rectificadores Convertidores CC/CC y troceadores Inversores (u onduladores) Cicloconvertidores. Poco usados hoy en día. Sustituidos por la conexión de rectificador e inversor en cascada Convertidores CA/CC Convertidores CC/CC Convertidores CC/CA Convertidores CA/CA La parte de la Electrónica que estudia este tipo de circuitos se llama: ELECTRÓNICA DE POTENCIA En este curso nos centraremos en las FUENTES DE ALIMENTACIÓN, que son una parte importante de la electrónica de potencia

16 Introducción Niveles de potencia Según el tipo de aplicación, la potencia que debe manejar un convertidor puede variar entre valores del orden de unos pocos mW hasta valores del orden de varios MW Un sensor o un implante electrónico en el cuerpo humano pueden necesitar potencias del orden de 10mW Los niveles de corriente son muy bajos Deben funcionar a tensiones bajas No se pueden calentar Deben ser de tamaño muy pequeño

17 Introducción Niveles de potencia Los equipos electrónicos domésticos consumen potencias del orden de 50 - 300 W. Los más grandes pueden consumir hasta 6kW Según potencia del amplificador: hasta 100-200W TV 25”: 60 W TV plana 50”: 600 W Hasta 300 W Entre 1 y 6kW 200 - 300W

18 “Routing Switch” Introducción Niveles de potencia Los equipos industriales profesionales y los usados en muchas instalaciones pueden consumir potencias del orden de kW Accionadores para motores de tamaño pequeño y mediano Taladros industriales Centralitas telefónicas Otras partes de sistemas de telecomunicaciones Cargadores de baterías Alimentación Telecom 50 kW Convertidor para motores

19 Introducción Niveles de potencia En las aplicaciones de Tracción y Generación, las potencias pueden llegar a alcanzar potencias del orden de varios MW Potencia: 1 MW Tensión de alimentación: 1500 V, 600 Hz Potencia: 2,4 MW Tensión de alimentación: 3000 V, 600 Hz 500 kW – 2 MW

20 Introducción Algunos conceptos elementales Especificaciones de la carga Nivel de potencia del sistema Especificaciones de la fuente de energía El convertidor debe ser lo más sencillo y pequeño posible (tamaño, coste) Para funcionar, el convertidor gasta una cierta cantidad de energía. Debe ser lo menor posible Por el hecho de disipar potencia, los convertidores se van a calentar. Es necesario evacuar el calor Concepto de Rendimiento Convertidor P in P out Pérdidas P in > P out

21 Introducción Investigación La Electrónica de Potencia es una rama fundamental de la Electrónica Hoy en día es prioritario tener sistemas de potencia fiables, con buenas prestaciones y a un coste razonable. La investigación en este campo es realmente activa a nivel mundial En España es uno de los campos principales de investigación y, probablemente, uno de los más activo dentro de las especialidades electrónicas España está entre los 5 primeros países del mundo en lo que se refiere a producción científica en este campo Ejemplos de universidades muy activas en Electrónica de Potencia : U. Politécnica de Madrid U. de Oviedo U. Carlos III de Madrid U. de Valencia U. Politécnica de Cataluña U. de Cantabria U. de Zaragoza U. Rovira y Virgili U. de Sevilla Virginia Polytechnic U. de Wisconsin- Madison Caltech-California M.I.T Copec-Colorado Aalborg (Dinamarca) Delft (Holanda) ETH (Zurich) Politecnico de Torino

22 Introducción Investigación IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineers Es la mayor organización no gubernamental del mundo Es una especie de colegio de ingenieros eléctricos mundial Se organiza en sociedades temáticas. Ejemplos: PELS: Power Electronics Society IAS: Industry Applications Society IES: Industrial Electronics Society APS: Antennas and Propagation Society COMMS: Communications Society Publica las revistas técnicas más prestigiosas en todo el campo eléctrico: IEEE Transactions IEEE Transactions on Power Electronics IEEE Transactions on Industry Applications IEEE Transactions on Industrial Electronics También organiza congresos de gran prestigio anualmente IEEE APEC: Applied Power Electronics Conference IEEE PESC: Power Electronics Specialists Conference (ahora IEEE ECCE)

23 Introducción Investigación www.ieee.org www.ieee-pels-spanish-chapter.org Web del capítulo español de la sociedad de electrónica de potencia Tiene gran cantidad de información: tesis doctorales, seminarios, exámenes de distintas universidades En España esponsoriza un congreso anual: SAAEI – Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e Instrumentación Es el congreso de Electrónica de Potencia por excelencia en España En cuanto a revistas, únicamente Mundo Electrónico (Boixareu Editores) publica contenidos de esta temática ocasionalmente