1 1. introducción. dispositivos electrónicos de potencia 2. convertidores electrónicos de...

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1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia

2. Convertidores electrónicos de potencia ac/dc.

3.Convertidores electrónicos de potencia dc/dc.

Profesora: Mónica Chinchilla Sánchez

Universidad Carlos III. Dpto. Ing. Eléctrica. Ingeniería Industrial, 5º curso

INDICE DEL TEMA

Tema 2. Accionamientos Eléctricos

Convertidores electrónicos para motores dc

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1.Introducción

Máquinas cc. Movimiento

Motor (I)

Frenado regenerativo

(II)

3

1.Introducción

wm

Tem

Máquinas cc: pueden operar en los 4 cuadrantes

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1.Introducción

CA/CC

CC/CC

CA/CA

CC/CA

CA CC

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1.Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia

Transistores bipolares (BJT)

Son muy fáciles de controlar.

Las pérdidas en conducción son reducidas, ya que la caída de tensión en conducción se encuentra normalmente entre 1 y 2 V.

Las pérdidas de conmutación son moderadas, por lo que la frecuencia máxima de conmutación está alrededor de 3 kHz.

No soporta potencias muy elevadas: las máximas tensiones e intensidades disponibles son 1.400 V y 300 A.

IGCT

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IGCT

Transistores MOSFET

Son muy fáciles de controlar.

Presenta unas pérdidas de conmutación reducidas, por lo que la frecuencia de conmutación puede ser superior a 100 kHz. Por el contrario, sus pérdidas en conducción son elevadas.

Con los transistores MOSFET se pueden alcanzar tensiones de unos cuantos centenares de voltios e intensidades de decenas de amperios. El transistor MOSFET es más caro que el transistor bipolar, pero son una alternativa en aplicaciones de baja tensión en caso de que se desee una elevada frecuencia de conmutación.

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IGCT

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IGCT

Transistores IGBT

El IGBT es la combinación de un MOSFET y un bipolar. Precisa sólo dos pequeños impulsos de corriente para encenderlo o apagarlo. El IGBT tiene un tamaño reducido y bajo coste de fabricación. La caída de tensión en conducción es reducida e independiente de la corriente, por lo que sus pérdidas en conducción son también bajas, aunque casi de valor doble de las que se dan en un transistor bipolar.Las pérdidas de conmutación de los IGBT son algo mayores que las de los otros tipos de transistores mencionados debido a la corriente de cola en el bloqueo.

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IGCT

Transistores IGBT

La frecuencia máxima de conmutación de los IGBT es de 20 kHz. Otro inconveniente consiste en su reducida capacidad para soportar derivadas de tensión elevadas. Las tensiones e intensidades límites de los IGBT son 3300 V y 1200 A.Se utilizan donde sea necesario aumentar la frecuencia de conmutación, por ejemplo, en aquellos casos donde se requiera reducir la frecuencia por debajo de la audible.


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IGCT

Tiristores

El tiristor es el semiconductor de potencia más robusto y fiable, ya que, a diferencia del transistor, puede soportar elevadas sobreintensidades durante tiempos reducidos. La principal ventaja del tiristor es que soporta grandes tensiones e intensidades (hasta 5.000 V y 5.000 A).Tiene una caída de tensión directa baja (entre 1 y 3 V), por lo que las pérdidas de conducción son reducidas. Su frecuencia de operación está limitada a 1 kHz.

Inconveniente: no se puede apagar directamente mediante una señal de puerta, por lo que precisa de una red de apagado que someta al tiristor a una tensión inversa (cátodo-ánodo), (inversor conmutado por red).

Su aplicación ha quedado limitada al caso de convertidores de potencia elevada en los que la conmutación de los tiristores es auxiliada por la carga (inv.en fuente de corriente)

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IGCT

Tiristores GTO

Presenta la ventaja de que se puede apagar mediante un impulso de corriente negativo en su puerta.

Su principal inconveniente está en las elevadas pérdidas de conmutación, ya que el impulso que se ha de proporcionar para su apagado tiene una amplitud cinco veces menor, aproximadamente, que la corriente a bloquear.Por el contrario sus pérdidas en conducción son reducidas.

Es capaz de manejar grandes tensiones y corrientes (hasta 4.500 V y 3.000 A). Su aplicación está limitada a convertidores de frecuencia de elevada potencia con circuito intermedio de tensión.

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IGCT

Tiristores IGCT

Los tiristores controlados de puerta aislada (IGCT’s) combinan las cualidades de los tiristores (como la baja resistencia en conducción, o su robustez) con las de los IGBT’s (capacidad de apagado por puerta o los niveles de corriente de saturación).

Por ejemplo las pérdidas de potencia por conmutación de un IGCT son entre tres y cuatro veces (depende de la tensión de trabajo) menores que las de un IGBT, mientras que la caída de tensión en conducción es la misma

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MT1

MT2

G

Símbolo de un TRIAC

Equivalente de un TRIAC

T2T1

MT1

MT2

G

SCR2SCR1

MT2

MT2

NC

NC

Equivalente de un DIAC

MT2

MT1

Símbolo de un DIAC

TRIAC DIAC

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2. Convertidores electrónicos ca/cc

Rectificador

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Rectificador

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eficaz

eficaz

eficaz

eficaz

Valor medio:

Valor eficaz:

Definiciones (repaso)

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Terminales ca. Series de Fourier de la tensión vca y de la corriente ica

(en general los valores

medios Vo, Io suelen ser nulos):

Valores eficaces de la tensión y de la corriente superiores al primero:

siendo Vrms el valor eficaz de la tensión, V1 del primer armónico de la tensión, Irms de la corriente e I1 del primer armónico de corriente .

, Tasas de distorsión armónica de tensión

y corriente:

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1. Rectificador monofásico no controlado

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1. Rectificador monofásico no controlado (caso R puro)

Valores medios Valores eficaces

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1. Rectificador monofásico no controlado (caso R puro)

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2. Rectificador trifásico no controlado

Tanto el factor de potencia como la relación entre la tensión en la etapa de c.c. y la tensión en la etapa de c.a están dadas

955,0P

cos 1 I

I

S

+

El valor eficaz de la onda de corriente es:

CCf I23 I U 3 S fU

CCCC22 I,8170

3I 2

dt

2

1 dt

1 I iiT

siendo VL el valor eficaz de la tensión de línea.

LDC dt wt cos V 2

6

21

U LL V 1,35

V 23

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3. Rectificador monofásico controlado de tiristores.

Caso resistivo puro

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3. Rectificador monofásico controlado de tiristores. Caso resistivo puro

Valores medios de tensión y corriente:

Valores eficaces de tensión y corriente:

Siendo:

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3. Rectificador monofásico controlado de tiristores. Caso resistivo puro

Rizado de tensión: rv=Vr/Vo

Rizado de corriente: ri=Ir/Io

FACTORES DE RIZADO

VALORES EFICACES

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3. Rectificador monofásico controlado de tiristores. Caso general.

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4. Rectificador trifásico controlado de tiristores

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=0

>0

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cosV 1,35U LDC

Variando el valor del ángulo a entre 0° y 90° es posible

conseguir diferentes valores de tensión de salida comprendidos entre 1,35 U*l V y 0 V

cosP

cos 1

I

I

S

DCDC IU )cos(IU3P 1L

Igualamos potencia a la entrada y a la salida bajo el supuesto de que el rectificador no tiene pérdidas en los tiristores:

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5. Puente rectificador por IGBT’s

Mediante un rectificador controlado de IGBT’s

es posible controlar dos variables del sistema

Además, con una adecuada modulación de los pulsos de disparo de los transistores del puente, es posible conseguir una corriente en la máquina (a la que alimenta) con un contenido en armónicos muy reducido.

El convertidor es reversible, es decir la transferencia de potencia puede ser en ambos sentidos.

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3. Convertidores electrónicos cc/cc

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Características del troceador o chopper

Permite variar y controlar el valor medio de la tensión continua (Vo) con la que alimentamos una carga, mediante una entrada de tensión continua constante o variable (VDC)

Pueden trabajar en los 4 cuadrantes (Vo , Io); lo mas frecuente es que trabajen en el cuadrante I, o bien en los cuadrantes I y II.

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Ventajas y desventajas de los choppers

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Tipos de choppers y cuadrantes de funcionamiento

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Tipos de choppers

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Chopper directo (forward)

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Chopper directo

(forward) R

L

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Chopper directo

(forward)

T

tVV

T

tdtV

Tdtv

TV onF

DCFDC

onT t

FDCoO

on

0 0

11

FDCVVVV max

00min

0 0δ: razón de conducción (0≤δ≤1)

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Chopper directo. Valor medio

de la corriente en la carga (Io)

T

t

Dt

GTOT

o

on

on

dtiT

dtiT

dtiT

I111

00

0

dt

diLEv

RiE

dt

diLRiv o

ooo

oo

1 dtdt

diLEv

RTI

To

o

0

0

11

R

EV

R

EVI

FDC

0

0 R

V

R

VI

FDCo

o Y si E=0

R

VI

FDC

Eo

0

1max

R

EII o max

0 maxoo II

Si se cumplen las condiciones para que la corriente a la salida sea máxima, entonces:

Y si E=0

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Chopper directo. Corriente instantánea

en régimen permanente (io).

Evvv LRo Edt

diLRiv o

oo

ontt 0FDCo Vv

min)0( oo ii

Ttton 0ov

max)( oono iti

Para Para

maxott

subidao

GTOo iii

on

minoTt

bajadao

Do iii

,

onon tt

o

ttFDCGTO

oon eieR

EViitt max10

onon tt

o

ttD

oon eieR

EiiTtt max1

Para

Para

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Chopper directo.

Valor eficaz de la corriente en la carga en el GTO y en el diodo (operación continua).

R

E

eR

eVi

T

tFDC

o

on

/

/max

1

1 R

E

eR

eVi

T

tFDC

o

on

1

1/

/min

Así:

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Chopper directo. Valor medio de la tensión Vo (operación discontinua).

tx

Llamamos tx al instante en que la corriente en el diodo se anula

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Chopper directo.

Valor medio de la corriente Io (operación discontinua).

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Chopper directo.

Valores máximos de las corrientes media y eficaz en el GTO

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Chopper directo.

Valores máximos de las corrientes media y eficaz en el diodo

Por el diodo la corriente circula en toff=T-ton. Para el cálculo de las corrientes en el diodo se suele asumir io como constante (L muy grande) y E=0:

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Chopper directo. Calculo de la inductancia de alisado.

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Determinar

Lalisado =Ltotal-L

para que:

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Chopper directo. Cálculo de la inductancia de alisado.

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