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

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

Semiconductores de potencia

€

R off( ) =∞

€

R on( ) = 0


€

toff →on = 0

€

ton→off = 0

€

R off( ) =∞

€

R on( ) = 0


€

toff →on = 0

€

ton→off = 0

€

R off( ) =∞

€

R on( ) = 0


€

voff ,max =∞

€

ion, max = ∞

€

toff →on = 0

€

ton→off = 0

€

R off( ) =∞

€

R on( ) = 0


€

voff ,max =∞

€

ion, max = ∞

€

Pcontrol = 0

Introducción (II)

Tiristor

MOSFET

€

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

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


Análisis detallado

€

iC

€

vl


€

vl =Vin −Vout = L ΔIt1

€

il

€

Imax

€

t1


Análisis detallado

€

iC

€

t1

€

vl

€

Vin −Vout


€

vl = −Vout = −L ΔIt2

€


€

il

€

Imax

€

Imin

€

t1

€

t2


Análisis detallado

€

iC

€

t1

€

t2

€

vl

€

Vin −Vout

€

−Vout


€

vl = −Vout = −L ΔIt2

€


€

δ =t1

t1 + t2€

Vout =Vint1

t1 + t2= δVin

€

il

€

Imax

€

Imin

€

t1

€

t2 €

ΔI


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


Análisis detallado


€

il

€

Imax

€

t1

€

iC

€

t1

€

vl


Análisis detallado


€

Vin

€

vl =Vin = L ΔIt1⇒ LΔI =Vint1

€

il

€

Imax

€

Imin

€

t1

€

t2

€

iC

€

t1

€

t2

€

vl

€

−Vout

€


€

vl = −L ΔIt2

=Vin −Vout = −Vint1t2


Análisis detallado


€

Vin

€

il

€

Imax

€

Imin

€

t1

€

t2 €

ΔI

€

iC

€

t1

€

t2

€

vl

€

−Vout


Análisis detallado


€


€

Vout =Vin 1+t1t2

=Vin

1

1− t1t1 + t2

€

vl = −L ΔIt2

=Vin −Vout = −Vint1t2

€

Vin

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

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


Onda cuadrada

Conver6dores cc/ca


Onda cuadrada

¿Es posible controlar?

Conver6dores cc/ca


Frecuencia de salida Onda cuadrada


Conver6dores cc/ca




SI

Conver6dores cc/ca




Valor eficaz

SI

Conver6dores cc/ca




Valor eficaz

SI

NO

Conver6dores cc/ca


Frecuencia de salida

PWM

Onda cuadrada


Valor eficaz

SI

NO

Conver6dores cc/ca



PWM

Onda cuadrada


Valor eficaz


SI

NO

Conver6dores cc/ca



PWM

Onda cuadrada


Valor eficaz


SI

NO

SI

Conver6dores cc/ca



PWM

Onda cuadrada


Valor eficaz


Valor eficaz

SI

NO

SI

Conver6dores cc/ca



PWM

Onda cuadrada


Valor eficaz


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


€

T1

€

T2

Conver6dores ca/ca

Semiciclos posi6vos

Semiciclos nega6vos

€

R

€

vL

€

ve


€

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

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