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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
2
1.Introducción
Máquinas cc. Movimiento
Motor (I)
Frenado regenerativo
(II)
3
1.Introducción
wm
Tem
Máquinas cc: pueden operar en los 4 cuadrantes
4
1.Introducción
CA/CC
CC/CC
CA/CA
CC/CA
CA CC
5
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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1.Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia
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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1.Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia
IGCT
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1.Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia
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.
1.Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia
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1.Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia
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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1.Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia
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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1.Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia
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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1.Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia
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
15
2. Convertidores electrónicos ca/cc
Rectificador
16
2. Convertidores electrónicos ca/cc
eficaz
eficaz
eficaz
eficaz
Valor medio:
Valor eficaz:
Definiciones (repaso)
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2. Convertidores electrónicos ca/cc
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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2. Convertidores electrónicos ca/cc
1. Rectificador monofásico no controlado
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2. Convertidores electrónicos ca/cc
1. Rectificador monofásico no controlado (caso R puro)
Valores medios Valores eficaces
20
2. Convertidores electrónicos ca/cc
1. Rectificador monofásico no controlado (caso R puro)
21
2. Convertidores electrónicos ca/cc
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
22
2. Convertidores electrónicos ca/cc
3. Rectificador monofásico controlado de tiristores.
Caso resistivo puro
23
2. Convertidores electrónicos ca/cc
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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2. Convertidores electrónicos ca/cc
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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2. Convertidores electrónicos ca/cc
3. Rectificador monofásico controlado de tiristores. Caso general.
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2. Convertidores electrónicos ca/cc
4. Rectificador trifásico controlado de tiristores
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2. Convertidores electrónicos ca/cc
4. Rectificador trifásico controlado de tiristores
=0
>0
28
2. Convertidores electrónicos ca/cc
4. Rectificador trifásico controlado de tiristores
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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2. Convertidores electrónicos ca/cc
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.
30
3. Convertidores electrónicos cc/cc
31
3. Convertidores electrónicos cc/cc
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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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Ventajas y desventajas de los choppers
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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Tipos de choppers y cuadrantes de funcionamiento
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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Tipos de choppers
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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Chopper directo (forward)
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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Chopper directo
(forward) R
L
37
3. Convertidores electrónicos cc/cc
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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3. Convertidores electrónicos cc/cc
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
39
3. Convertidores electrónicos cc/cc
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
40
3. Convertidores electrónicos cc/cc
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:
41
3. Convertidores electrónicos cc/cc
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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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Chopper directo.
Valor medio de la corriente Io (operación discontinua).
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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Chopper directo.
Valores máximos de las corrientes media y eficaz en el GTO
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3. Convertidores electrónicos cc/cc
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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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Chopper directo. Calculo de la inductancia de alisado.
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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Chopper directo. Calculo de la inductancia de alisado.
Determinar
Lalisado =Ltotal-L
para que:
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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Chopper directo. Cálculo de la inductancia de alisado.
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3. Convertidores electrónicos cc/cc
Chopper directo. Calculo de la inductancia de alisado.