energía y telecomunicaciones. tema 5.2. convertidores ... · title: energía y telecomunicaciones....

Energía  y  Telecomunicaciones  

Alberto  Arroyo  Gu6érrez  Mario  Mañana  Canteli  Raquel  Mar>nez  Torre  Jesús  Mirapeix  Serrano  

Cándido  Capellán  Villacián  

Departamento  de  Ingeniería  Eléctrica                            y  Energé5ca  

Este  tema  se  publica  bajo  Licencia:  Crea5ve  Commons  BY-­‐NC-­‐SA  4.0  

Tema  5.2.  Conver6dores  electrónicos  de  potencia.  Material  complementario  

Semiconductores  de  potencia  

€

R off( ) =∞

€

R on( ) = 0

Semiconductores  de  potencia  

€

toff →on = 0

€

ton→off = 0

€

R off( ) =∞

€

R on( ) = 0

Semiconductores  de  potencia  

€

toff →on = 0

€

ton→off = 0

€

R off( ) =∞

€

R on( ) = 0

Semiconductores  de  potencia  

€

voff ,max =∞

€

ion, max = ∞

€

toff →on = 0

€

ton→off = 0

€

R off( ) =∞

€

R on( ) = 0

Semiconductores  de  potencia  

€

voff ,max =∞

€

ion, max = ∞

€

Pcontrol = 0

Introducción  (II)  

Introducción  (II)  

Diodo  

Tiristor  

GTO  

BJT  

MOSFET  

IGBT  

€

Pe

€

Ps€

Pp

€

η =PsPe

=Pe − PpPe

=1−PpPe

Conver6dores  ca/cc  

Conver6dores  ca/cc.  

Cuadrantes  de  funcionamiento  

Conver6dores  ca/cc.  

Topologías  

€

ve t( ) =Vem sin ωt( )

€

Vem

π

Conver6dores  ca/cc.  

Puente  simple  media  onda  

€

Vs,dc =12π

Vem sin α( )dα0

π

∫ = −Vem

2πcos α( )

0

π

= −Vem

2πcos π( ) − cos 0( )( ) =

Vem

π=

2Ve,rms

π

€

Vs,rms =12π

Vem2 sin2 α( )dα

0

π

∫ =Vem2 π2π2

=Vem

2=

2Ve,rms

2

€

Vs,ondulatoria = Vs,rms2 −Vs,dc

2 =Ve,rms2

2−2Ve,rms

2

π 2 =Ve,rms12−2π 2 = 0,54Ve,rms

Conver6dores  ca/cc.  

€

VL,cc = valor medio vL t( ){ } =2V1,maxN2

N1π

Conver6dores  ca/cc.  

Puente  simple  con  transformador  de  toma  intermedia  

€

VL,cc = valor medio vL t( ){ } =2V1,maxN2

N1π

Conver6dores  ca/cc.  

Puente  simple  con  transformador  de  toma  intermedia  

€

VL,cc = valor medio vL t( ){ } =2V1,maxN2

N1π

Conver6dores  ca/cc.  

Puente  simple  con  transformador  de  toma  intermedia  

Conver6dores  ca/cc.  

Puente  de  onda  completa  

Conver6dores  ca/cc.  

Puente  de  onda  completa  

Conver6dores  ca/cc.  

Puente  de  onda  completa  

€

α

Ac6vación  

Conver6dores  ca/cc.  

Puente  de  onda  completa  

€

α€

vL,cc α( ) =12π

V1,max sin β( )dβ =α

π

∫ V1,max2π

1+ cosα[ ]

€

v1 t( ) =V1,max sin ωt( )

€

VL,rms =V1,max2

1− απ

+sin 2α( )2π

Conver6dores  ca/cc.  

Puente  de  media  onda  semicontrolado  

Conver6dores  ca/cc.  

Puente  onda  completa  semicontrolado  

€

vL,cc α( ) =1π

V1,max sin β( )dβ =α

π

∫ V1,maxπ

1+ cosα[ ]

€

VL,rms =V1,max2

1− απ

+sin 2α( )2π

€

α

€

α

€

Vs = valor medio Vs t( ){ } =1T

Vs t( )dt0

T

∫ =1T

Vedt0

τ

∫ =τTVe

Conver6dores  cc/cc.  Reductor  

Principio  básico  

Leon  Freris  and  David  Infield.  «Renewable  Energy  in  Power  Systems».  Copyright  2008.  Published  by  John  Wiley  &  Sons,  Ltd.  All  rights  reserved.  

€

il

Conver6dores  cc/cc.  Reductor  

Análisis  detallado  

€

iC

€

vl

Leon  Freris  and  David  Infield.  «Renewable  Energy  in  Power  Systems».  Copyright  2008.  Published  by  John  Wiley  &  Sons,  Ltd.  All  rights  reserved.  

€

vl =Vin −Vout = L ΔIt1

€

il

€

Imax

€

t1

Conver6dores  cc/cc.  Reductor  

Análisis  detallado  

€

iC

€

t1

€

vl

€

Vin −Vout

Leon  Freris  and  David  Infield.  «Renewable  Energy  in  Power  Systems».  Copyright  2008.  Published  by  John  Wiley  &  Sons,  Ltd.  All  rights  reserved.  

€

vl = −Vout = −L ΔIt2

€

vl =Vin −Vout = L ΔIt1

€

il

€

Imax

€

Imin

€

t1

€

t2

Conver6dores  cc/cc.  Reductor  

Análisis  detallado  

€

iC

€

t1

€

t2

€

vl

€

Vin −Vout

€

−Vout

Leon  Freris  and  David  Infield.  «Renewable  Energy  in  Power  Systems».  Copyright  2008.  Published  by  John  Wiley  &  Sons,  Ltd.  All  rights  reserved.  

€

vl = −Vout = −L ΔIt2

€

vl =Vin −Vout = L ΔIt1

€

δ =t1

t1 + t2€

Vout =Vint1

t1 + t2= δVin

€

il

€

Imax

€

Imin

€

t1

€

t2 €

ΔI

Conver6dores  cc/cc.  Reductor  

Análisis  detallado  

€

iC

€

t1

€

t2

€

ΔI

€

vl

€

Vin −Vout

€

−Vout

Power  Electronics.  dc-­‐dc  step-­‐down  (buck)  converter  

€

Ve = L ΔIt1

€

Vs =Ve + L ΔIt2

=Ve 1+t1t2

€

k =t1

t1 + t2

€

Vs =Ve11− k

Conver6dores  cc/cc.  Elevador  

Principio  básico  

€

il

€

iC

€

vl

Conver6dores  cc/cc.  Elevador  

Análisis  detallado  

Leon  Freris  and  David  Infield.  «Renewable  Energy  in  Power  Systems».  Copyright  2008.  Published  by  John  Wiley  &  Sons,  Ltd.  All  rights  reserved.  

€

il

€

Imax

€

t1

€

iC

€

t1

€

vl

Conver6dores  cc/cc.  Elevador  

Análisis  detallado  

Leon  Freris  and  David  Infield.  «Renewable  Energy  in  Power  Systems».  Copyright  2008.  Published  by  John  Wiley  &  Sons,  Ltd.  All  rights  reserved.  

€

Vin

€

vl =Vin = L ΔIt1⇒ LΔI =Vint1

€

il

€

Imax

€

Imin

€

t1

€

t2

€

iC

€

t1

€

t2

€

vl

€

−Vout

€

vl =Vin = L ΔIt1⇒ LΔI =Vint1

€

vl = −L ΔIt2

=Vin −Vout = −Vint1t2

Conver6dores  cc/cc.  Elevador  

Análisis  detallado  

Leon  Freris  and  David  Infield.  «Renewable  Energy  in  Power  Systems».  Copyright  2008.  Published  by  John  Wiley  &  Sons,  Ltd.  All  rights  reserved.  

€

Vin

€

il

€

Imax

€

Imin

€

t1

€

t2 €

ΔI

€

iC

€

t1

€

t2

€

vl

€

−Vout

Conver6dores  cc/cc.  Elevador  

Análisis  detallado  

Leon  Freris  and  David  Infield.  «Renewable  Energy  in  Power  Systems».  Copyright  2008.  Published  by  John  Wiley  &  Sons,  Ltd.  All  rights  reserved.  

€

vl =Vin = L ΔIt1⇒ LΔI =Vint1

€

Vout =Vin 1+t1t2

=Vin

1

1− t1t1 + t2

€

vl = −L ΔIt2

=Vin −Vout = −Vint1t2

€

Vin

Power  Electronics.  dc-­‐dc  step-­‐up  (boost)  converter  

Conver6dores  cc/cc.  Elevador  

Conver6dores  cc/cc.  Elevador  

Conver6dores  cc/cc.  Elevador  

Fig. 5.26. Forma de onda de salida de un inversor de onda cuadrada.

€

vL t( )

€

Vcc

€

−Vcc

S3, S4 on S1, S2 off S3, S4 off

S1, S2 on €

T2

€

T

Conver6dores  cc/ca  

Fig. 5.25. Estructura básica de un inversor. €

Vcc

S2

S3 S1

S4 €

vL t( )

R

Fig. 5.26. Forma de onda de salida de un inversor de onda cuadrada.

€

vL t( )

€

Vcc

€

−Vcc

S3, S4 on S1, S2 off S3, S4 off

S1, S2 on €

T2

€

T

Conver6dores  cc/ca  

Fig. 5.25. Estructura básica de un inversor. €

Vcc

S2

S3 S1

S4 €

vL t( )

R

Control  del  inversor  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Onda  cuadrada  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Onda  cuadrada  

¿Es  posible  controlar?  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Frecuencia  de  salida  Onda  cuadrada  

¿Es  posible  controlar?  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Frecuencia  de  salida  Onda  cuadrada  

¿Es  posible  controlar?  

SI  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Frecuencia  de  salida  Onda  cuadrada  

¿Es  posible  controlar?  

Valor  eficaz  

SI  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Frecuencia  de  salida  Onda  cuadrada  

¿Es  posible  controlar?  

Valor  eficaz  

SI  

NO  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Frecuencia  de  salida  

PWM  

Onda  cuadrada  

¿Es  posible  controlar?  

Valor  eficaz  

SI  

NO  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Frecuencia  de  salida  

PWM  

Onda  cuadrada  

¿Es  posible  controlar?  

Valor  eficaz  

Frecuencia  de  salida  

SI  

NO  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Frecuencia  de  salida  

PWM  

Onda  cuadrada  

¿Es  posible  controlar?  

Valor  eficaz  

Frecuencia  de  salida  

SI  

NO  

SI  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Frecuencia  de  salida  

PWM  

Onda  cuadrada  

¿Es  posible  controlar?  

Valor  eficaz  

Frecuencia  de  salida  

Valor  eficaz  

SI  

NO  

SI  

Conver6dores  cc/ca  

Control  del  inversor  

Frecuencia  de  salida  

PWM  

Onda  cuadrada  

¿Es  posible  controlar?  

Valor  eficaz  

Frecuencia  de  salida  

Valor  eficaz  

SI  

NO  

SI  

SI  

Conver6dores  cc/ca  

Fig. 5.27. Modulación PWM unipolar construida mediante una señal de referencia sinusoidal y una portadora triangular.

Señal de referencia

Señal portadora

Vcc

–Vcc

vL(t) €

mf =f portadoraf referencia

€

ma =Vreferencia

Vportadora

Conver6dores  cc/ca  

Conver6dores  cc/ca  

Conver6dores  ca/ca  

€

R

€

vL

€

ve

Fig. 5.28. Circuito básico de un convertidor ca/ca monofásico.

€

T1

€

T2

Conver6dores  ca/ca  

Semiciclos  posi6vos  

€

R

€

vL

€

ve

Fig. 5.28. Circuito básico de un convertidor ca/ca monofásico.

€

T1

€

T2

Conver6dores  ca/ca  

Semiciclos  posi6vos  

Semiciclos  nega6vos  

€

R

€

vL

€

ve

Fig. 5.28. Circuito básico de un convertidor ca/ca monofásico.

€

T1

€

T2

€

VL,rms =1

n + mnVe,rms

2 + m.0[ ] =Ve,rmsn

n + m

€

k =n

n + m

€

VL,rms =Ve,rms k

Conver6dores  ca/ca  

Control  todo/nada  

€

VL,rms α( ) =1π

2Ve,rms sinβ( )2dβ

α

π

∫

€

VL,rms α( ) =Ve,rms 1−απ

+sin 2α( )2π

Conver6dores  ca/ca  

Control  de  fase  

Conver6dores  ca/ca  

Control  de  fase  

Ejercicio  1  

Ejercicio  2  

Ejercicio  3  

Ejercicio  4  

Ejercicio  5