01a_Cap_I_Introduccion_ElectronicaPotencia (1).pdf

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GICEP Grupo de Investigación en Calidad de la Energía y Electrónica de potencia

Profesor: Armando Jaime Ustariz Farfán

E-Mail: [email protected]


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CAPÍTULO 1: Introducción a la electrónica de potencia

1.1. Introducción


Electrónica de Potencia: Introducción

La apuesta por las redes inteligentes y el auto-

eléctrico se topan con la falta de ingenieros

cualificados

El principal problema: Es la falta de personal experto en electrónica de potencia, disciplina

clave para desarrollar estos proyectos

http://4.bp.blogspot.com/_EM6WSSA6vN4/TTMvhsiIrfI/AAAAAAAAACU/FXEqk1sbszc/s1600/coche.jpg

http://www.vidamasverde.com/blog/wp-content/uploads/2012/04/smart_grid_Denmark.jpg


Electrónica de Potencia: Introducción

Electrónica

de potencia

Teoría de

control

Teoría de

circuitos

Procesamiento

de señales

Electrónica

Sistemas de

potencia

Maquinas

eléctricas

Simulación y

computación

Naturaleza interdisciplinaria


Electrónica de Potencia:

2. Control de iluminación

+ - v(t)

Lámpara

incandescente

+ - v(t)

fs

Lámpara

incandescente

1. Control de flujo de agua

Bomba de agua

Entrada de agua

Salida de agua

Motor

Fuente

eléctrica

Bomba de agua

Entrada de agua

Salida de agua

Variador de

velocidad Fuente

eléctrica

Introducción


• Aplicaciones de baja potencia (< 10kW) – Domésticas

– Equipos de Oficina

• Aplicaciones de media potencia (10kW - 1MW) – Industriales

– Telecomunicaciones

• Aplicaciones de alta potencia (> 1MW) – Tracción

– Transmisión

Electrónica de Potencia: Aplicaciones


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1.2. Circuitos Transitorios


Circuitos Primer Orden: Fuente D.C.

v(t) i(t)

t=to

R

L

v t V

n fi t i t i t

RL

t

ni t Ae

f

Vi t

R

RL

t Vi t Ae

R

0A i t

+

( ) 1

( )di t R

i t v tdt L L

Ecuación diferencial:


Circuitos Primer Orden: Fuente A.C.

sinmv t V t

n fi t i t i t

RL

t

ni t Ae

sinf mi t I t

sinRL

t

mi t Ae I t

0A i t

v(t) i(t)

t=to

R

L

1

22

; tanmm

V LI

RR L

( ) 1

( )di t R

i t v tdt L L



Circuitos Segundo Orden: Respuesta natural

t=to

+ - v(t)

i(t)

R L

vC(t)

+

-

C

2

2

( ) ( ) 1( ) 0

d i t R di ti t

dt L dt LC


2

2

2 2

1,2

10;

1

2 2r

Rs s

L LC

R Rs

L L LC

1 2

t

ni t e A A t

2 21: rCaso

1 2

1 2

s t s t

ni t Ae A e

2 22: rCaso

2 23: rCaso

*

1 1

1 2

s t s t

ni t Ae A e

1,2 0 0;L cA i t v t

( ) 1

( ) ( )tdi t

Ri t L i t dt v tdt C

2

2

( ) ( ) 1( )

dv td i t R di ti t

dt L dt LC dt


Estado Transitorio y Estacionario: Circuitos eléctricos

Obtener las diferentes respuestas (natural y forzada) de los siguientes

circuitos (con fuentes DC o AC, conectados en serie o en paralelo). Esto le

ahorrará mucho tiempo al resolver los talleres y los parciales.

• Circuito R

• Circuito L

• Circuito C

• Circuito RL

• Circuito RC

• Circuito LC

• Circuito RLC


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1.3. Valores medios y eficaces


Valores medio y eficaces: Circuitos monofásicos

Potencia Instantánea:

( ) ( ) ( )p t v t i t

Potencia Promedio:

1( )

TP p t

T dc dcP V I

Valor Eficaz:

21( )rms

TV v t

T rms dcV V

Caso sinusoidal

sinm Vv t V t

sinm Ii t I t

Caso DC

dcv t V

dci t I

DEFINICIONES

( ) dc dcp t V I ( ) 1 cos(2 ) sin(2 )p t P t Q t

cosrms rms V IP V I

2

mrms

VV


Potencia Aparente: 2 2

rms rmsS V I P Q

Potencia Reactiva: 2 2Q S P

Factor de Potencia: cos V I

PFP

S

Valores medio y eficaces: Circuitos monofásicos

Caso sinusoidal


0 2 4 6 8 1

0

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5

0

0

5

0

10

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1.4. Calidad de la potencia (forma de onda)

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CASO IDEAL:

Es la presencia de una onda sinusoidal pura de tensión y corriente en

todos los puntos del sistema eléctrico

P

Q

S

2 2 2S P Q

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 -1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Generalidades:

Calidad de la forma de onda Calidad de la potencia: Forma de onda


Generalidades:

Calidad de la forma de onda

Forma de onda Distorsión de la forma de onda

Parámetros que definen la onda Perturbaciones que les afecta

Amplitud Variación de amplitud

Frecuencia Variación de frecuencia

Simetría (sistemas trifásicos) Asimetrías y desequilibrio

Amplitud

Período

Tiempo

Tensión

Generalidades:



Distorsión de forma de onda:

Descripción

Distorsión de forma de onda

Duración: Permanente (estado estable).

Causas: Cargas no-lineales de tipo electrónicas

(Computadores, CFL, Variadores de Velocidad, etc.).

Desviación de la forma de onda respecto

de la componente fundamental

1. Componente directa

2. Componentes armónicas

3. Componentes inter-armónicas

4. Muescas de tensión

5. Ruido

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Tiempo (s)

Te

nsió

n (V

) Generalidades:




Definición y caracterización

Componente directa

Caracterizado por: _1 1 12dc mv t V V sin t

Te

nsió

n [V

]

Tiempo [s]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Generalidades:





Componentes Armónicas

0.1 0.1083 0.1167 0.125 0.1333 0.1417-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

25

Co

rrie

nte

[A]

Tiempo [s] Armónico [orden]

Ma

gn

itu

d [%

]

Forma de onda Espectro

Te

nsió

n [V

]

Caracterizado por: _1 1 1 _ 1

2

2 2N

m m h h

h

v t V sin t V sin h t

Generalidades:


0.1 0.1083 0.1167 0.125 0.1333 0.1417-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

25

Co

rrie

nte

[A]

Tiempo [s] Armónico [orden]

Ma

gn

itu

d [%

]

Forma de onda Espectro




Generalidades:


SERIES DE FOURIER

t( )x t

00f 02 f

03 f04 f

05 f06 f

0

0 0

1

( ) cos sin2

h h

h

ax t a h t b h t

Series de Fourier trigonométricas

0 0

1

( ) sinh h

h

x t A A h t

Forma compacta

0 0

0

0 0

0 0

0

0

2 2( ) ; ( )cos( )

2( )sin( )

hT T

hT

a x t dt a x t h t dtT T

b x t h t dtT

2 200

1

;2

tan

h h h

hh

h

aA A a b

b

a

Función en MATLAB

« fft(x) »

Bloque en SIMULINK

« fourier »


Potencia Instantánea:

( ) ( ) ( )p t v t i t

Potencia Promedio:

1( )

TP p t

T

Valor Eficaz:

21( )rms

TV v t

T

DEFINICIONES

_2

2

21

m h

NV

rms dc

h

V V

Calidad de la potencia: Forma de onda

_ 1 _sindc m h V hv t V V h t

_ 1 _sin ; 1,2,3,....,dc m h I hi t I I h t h N

Valores medios y eficaces en régimen no-sinusoidal

1 1( ) 1 cos(2 ) sin(2 )dc dc h h mnp t V I P h t Q h t D m n

_ _ _ _

1

cos( )N

dc h dc dc rms h rms h V h I h

h

P P P V I V I


Potencia Aparente: 2 2

rms rmsS V I P Q

Potencia Reactiva: 2 2Q S P

Factor de Potencia: P

FPS

Factor de Desplazamiento: _1 _1cos( )V IFD


Otros valores en régimen no-sinusoidal:


Distorsión Armónica:

2 22 2 2_

_12

_1 _1

N

dc rms hrms rms dch

V

rms rms

V VV V V

THDV V


Medida de desviación del Lado AC:

Factor de Rizado:

2

2 2_

1

N

rms h

h rms dc

V

dc dc

VV V

FRV V

Medida de desviación del Lado DC:


0 2 4 6 8 1

0

12 14

-

150

-

10

0

-

5

0

0

5

0

10

0

150

t

[

m

s

]





1.5. Interruptores de estado sólido


Interruptores de estado sólido: Diodos de potencia

• Dispositivo sin control (por parte del usuario)

• Encendido y apagado, controlado por el circuito de potencia

a) símbolo

A K

Dv

Di

c) Ideal i-v

Di

Dv

b) Característica i-v

Di

Dv

FV

FI

RV

DIODO : “Silicon Controled Rectifier”


Interruptores de estado sólido: Tiristor - SCR

• Dispositivo semi-controlado (por parte del usuario)

• Encendido, solo si hay señal de puerta (impulso de corriente)

• Apagado, controlado por el circuito de potencia

a) símbolo

A K

AKv

Ai

G

Gi

c) Ideal i-v

Ai

AKv

off on


Ai

AKv

FVRV

EI

MI

SCR : “Silicon Controled Rectifier”


Interruptores de estado sólido: Transistor - IGBT

• Dispositivo totalmente-controlado (por parte del usuario)

• Encendido y apagado por puerta

c) Ideal i-v

Ci

CEvoff

on

IGBT : “Insulated Gate Bipolar Transistor”


Ci

CEv

GEv

a) símbolo

G

E

GEv

Ci

C

CEv


Interruptores de estado sólido: Nombres y Ejemplos

Sin control

• DIODOS

• DIODOS RÁPIDOS

Solo con control de encendido

• SCR : «silicon-controlled rectifier»

• TRIAC: «Triode for Alternating Current»

Con control de encendido y apagado

• BJT «Bipolar Junction Transistor»

• IGBT « insulated-gate bipolar transistor»

• MOSFET «Metal-oxide-semiconductor Field-effect transistor»


Interruptores de estado sólido: Comportamiento

Tensión

Corriente

Frecuencia

de conmutación

Tiristor-SCRs

Tiristor-GTOs

IGBTs

BJTs

MOSFETs

500 A 1000 A 1500 A 2000 A 2500 A

1 kHz

10 kHz

100 kHz

1 MHz

5000 V

4000 V

3000 V

2000 V

1000 V

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