-
Tecsup Virtu@l Programa del Curso
Reservados todos los derechos. Quedaprohibido reproducir parte
alguna de estapublicacin, cualquiera que sea el medioempleado, sin
el permiso previo del editor(Organismo Ejecutor del Convenio
deCooperacin Tcnica TECSUP/BID).
-
Programa del Curso Tecsup Virtu@l
ELECTRONICA DE POTENCIA
INTRODUCCIN
Estimado participante, bienvenido a TTeeccssuupp VViirrttuu@@ll
y en especial al curso de Electrnica dePotencia, donde usted
aprender sus fundamentos y aplicaciones. Observara que
losfundamentos estn bien establecidos y no cambian con rapidez,
mientras que las aplicacionesse van incrementando gracias al
desarrollo de nuevos y mejores dispositivos de potencia. En
lasltimas dos dcadas, el desarrollo de dispositivos de potencia
cada vez ms veloces y capacesde soportar grandes valores de voltaje
y corriente, han permitido la expansin de la Electrnicade Potencia
en todos los campos de la actividad industrial.
La Electrnica de Potencia utiliza la energa elctrica, la
electrnica y el control para, luego decombinarlas, entregar
eficientemente la energa elctrica a las cargas pertenecientes a
procesosindustriales. Como se puede deducir, el empleo de la
Electrnica de Potencia tiene la ventaja demejorar la eficiencia en
el uso de la energa elctrica, lo que se manifiesta como un
importanteahorro en la economa de las industrias, la principal
desventaja que se le puede atribuir es lageneracin de
interferencias y ruido elctrico en la lnea de alimentacin debido al
trabajo comointerruptor de los dispositivos de potencia.
En este curso veremos inicialmente los fundamentos de
funcionamiento y operacin de losdiversos dispositivos de potencia,
trabajando individualmente y aprenderemos a identificarlos
yprobarlos. Se tratar luego acerca de los fundamentos de operacin
de los circuitos bsicos queresultan al hacer trabajar conjuntamente
los dispositivos de potencia. As tendremos el estudiode los
Rectificadores, Inversores, Convertidores DC/DC. Posteriormente en
la tercera parte delcurso, tendremos la oportunidad de estudiar las
aplicaciones industriales ms usuales que setienen en nuestro pas
como son: variadores de velocidad de motores y grupos electrgenos.
Enla ltima parte del curso haremos un breve anlisis de los Armnicos
en la red elctricacausados al utilizar equipos basados en
Electrnica de Potencia y las consecuencias que tienenen el
funcionamiento de otros equipos de control instalados en su rea de
influencia.
OBJETIVOS
Al finalizar el curso los participantes estarn en capacidad de
:
Identificar y comprobar el estado de los diversos dispositivos
de potencia. Conocer los fundamentos y principios de funcionamiento
de equipos electrnicos de
potencia. Instalar, calibrar y poner en marcha los equipos
electrnicos de potencia.
-
CONTENIDO
El curso est formado por 12 unidades :
Unidades Nombres
1 Principios de funcionamiento
2 Tipos y pruebas de estado
3 Seleccin de Dispositivos de Potencia
4 Rectificadores
5 Convertidor DC-AC
6 Convertidor DC-DC
7 Variador de velocidad motor DC
8 Variador de velocidad motor AC
9 Grupos Electrgenos
10 Fundamentos
11 Causas y Efectos
12 Cuantificacin y correccin
MATERIAL
Los materiales didcticos a utilizar en el curso de Electrnica de
Potencia, estn estructuradosde tal manera que permiten facilitar el
proceso de aprendizaje del participante de acuerdo a
suscaractersticas individuales.
Para el curso utilizar los siguientes materiales didcticos:
Texto : El texto del curso contiene los mdulos y los diversos
contenidos temticos. El material en WEB: El material informtico
tiene los contenidos resumidos correspondientes
a cada mdulo y tambin las autoevaluaciones interactivas, su
contenido dispone de ayudasdidcticas que complementan el
aprendizaje de los temas correspondientes a cada mdulo.
METODOLOGA
La metodologa que deber seguir la resumimos a continuacin:
Usted deber estudiar la unidad correspondiente en su texto, la
cual esta publicada en elTecsup Virtual. Usted puede descargar
estos repasos en un disquette o disco duro.
En Tecsup Virtu@ll, encontrar por cada unidad un repaso, el cual
le permitir reforzar losconocimientos adquiridos en el texto. En
algunos repasos de acuerdo al cursos se tiene laopcin de videos
referentes al tema tratado. Usted puede descargar estos repasos en
undisquette o disco duro.
Por cada unidad existe una Autoevaluacin, la cual podr realizar
cuantas veces creaconveniente, hasta que entienda el tema tratado.
Es recomendable que realice laautoevaluacin terminando de estudiar
la unidad correspondiente.
Si tuviese alguna duda o no ha entendido bien algn tema puede
realizar una consulta en laopcin de Debates, en donde el profesor o
algn compaero del curso puede responder asu inquietud.
Tecsup Virtu@l, tiene la opcin de Trabajos, el cual es un
espacio virtual donde el profesor,puede publicar tareas, para ser
presentados en una determinada fecha.
-
Programa del Curso Tecsup Virtu@l
Se le recomienda a Ud. dedicarle unas 4 horas de estudio
semanales para el presente cursoe interactuar en Tecsup Virtu@l por
lo menos 2 veces por semana para poder lograr el xito.
CRONOGRAMA
La fecha lmites para la entrega y revisin de los trabajos
prcticos sern de acuerdo alsiguiente cronograma:
Trabajos Plazo de Entrega
1 A 30 das del inicio del curso
2 Al trmino del curso
CERTIFICACIN
Para obtener el Certificado de Participacin deber obtener un
promedio aprobatorio en lasautoevaluaciones del curso realizadas en
la Web.
En los cursos que existan trabajos, es necesario haber cumplido
con el envo de los mismos enlas fechas programadas.
Si usted desea adicionalmente obtener un certificado con nota
deber rendir un examenpresencial en las fechas y locales que se
indiquen en Tecsup Virtu@l, opcin Agenda.
-
UNIDAD I
Principios deFuncionamiento
-
Tecsup Virtu@l Indice
ndice1. INTRODUCCIN A LA ELECTRONICA DE
POTENCIA.................................................... 1
1.1.
DEFINICION.....................................................................................................
11.2. PRINCIPALES TAREAS DE LA ELECTRONICA DE
POTENCIA................................. 21.3. CONVERTIDORES
ELECTRONICOS DE
POTENCIA............................................... 2
1.3.1. RECTIFICACIN
....................................................................................
21.3.2. CONVERTIDOR DC-AC
...........................................................................
31.3.3. CONVERTIDOR DC-DC
...........................................................................
41.3.4. CONVERTIDOR
AC-AC............................................................................
4
1.4. OBSERVACIONES ADICIONALES A LA ELECTRONICA DE POTENCIA
.................... 5
-
Tecsup Virtu@l Electronica de Potencia
Unidad I Pag. 1
UNIDAD I
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
1. INTRODUCCIN A LA ELECTRONICA DE POTENCIA
1.1. DEFINICION
Con el trmino de Electrnica de Potencia se refiere al control y
conversin de la energaelctrica por medio de dispositivos
semiconductores de potencia que trabajan comointerruptores. Con la
llegada de los Rectificadores Controlados de Silicio (SCR), seempez
a desarrollar una nueva rea de aplicacin llamada Electrnica de
Potencia.Previamente a la introduccin de los SCRs, los
rectificadores de arco de mercurio eranusados para controlar la
energa elctrica, pero su campo de aplicacin era limitado. Unavez
que los SCRs y otros dispositivos de potencia tales como los
transistores MOSFET eIGBT salieron al mercado, el rea de aplicacin
se esparci a muchos campos. Ver figura1.
En la figura 1.1 se observa que en el plan futuro de desarrollo
de nuevos dispositivos depotencia se tiene la tendencia a
incrementar el rango de potencia a controlar (mayoresniveles de
voltaje y corriente que puedan soportar) as como ha incrementar la
velocidadde operacin de los mismos, logrando de este modo reducir
el tamao de los equipos(filtros ms pequeos).
Fig. 1.1 Aplicaciones de los disposiciones de potencia
-
Electronica de Potencia Tecsup Virtu@l
Pag. 2 Unidad I
1.2. PRINCIPALES TAREAS DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA
La Electrnica de Potencia tiene aplicaciones a lo amplio de todo
el campo de lossistemas elctricos de potencia, con un rango de
potencia de estas aplicacionesextendindose desde unos cuantos
VA/Wats a muchos MVA/MW.La tarea principal de la Electrnica de
Potencia es controlar y convertir la energaelctrica de una forma a
otra. Las cuatro principales formas de conversin son:
Rectificacin referida a la conversin de voltaje AC a voltaje DC.
Conversin DC a AC. Conversin DC a DC. Conversin AC a AC.
1.3. CONVERTIDORES ELECTRONICOS DE POTENCIA
Es el termino que se usa para referirse a un circuito electrnico
que convierte voltaje ycorriente de una forma a otra. Estos
convertidores pueden clasificarse como:
Rectificador, que convierte voltaje AC a voltaje DC. Inversor,
que convierte voltaje DC a Voltaje AC. Chopper o Fuente de
Alimentacin Conmutada, que convierte voltaje DC a voltaje
DC. Cicloconvertidor, que convierte voltaje AC a voltaje AC.En
suma, los SCRs y otros dispositivos de potencia son usados como
interruptoresestticos.
1.3.1. RECTIFICACIN
Los rectificadores convierten voltaje AC en voltaje DC. Pueden
ser clasificadoscomo controlados y no controlados, y los
rectificadores controladospueden ser luego divididos en
semi-controlados y totalmentecontrolados.
Los rectificadores no controlados son implementados con diodos,
y losrectificadores totalmente controlados son implementados con
SCRs. Ambos,diodos y SCRs son usados en circuitos rectificadores
semi-controlados.
Ventrada = VAC(valor constante)
Vsalida = VDC(valor constante)
RECTIFICADORNO CONTROLADO
+
-
Fig. 1.2
Ventrada = VAC(valor constante)
Vsalida = VDC(valor variable)
RECTIFICADORCONTROLADO
+
-
Fig. 1.3
-
Tecsup Virtu@l Electronica de Potencia
Unidad I Pag. 3
Hay algunas configuraciones de circuitos rectificadores. Los ms
populares son:
Puente rectificador monofsico semi-controlado. Puente
rectificador monofsico totalmente controlado. Tres fases tres
pulsos, rectificador conectado en estrella. Doble tres fases tres
pulsos, rectificador de tres pulsos conectado en
estrella con transformador inter-fase (IPT). Puente rectificador
trifsico semi-controlado. Puente rectificador trifsico totalmente
controlado. Doble tres fases puente rectificador totalmente
controlado con IPT.Tambin hay rectificadores de 12 pulsos
conectados en serie para aplicacionesde gran potencia de salida.El
rango de potencia de un rectificador monofsico tiende a ser menor a
10 kW.Los puentes rectificadores trifsicos son usados para
desarrollar grandespotencias de salida, hasta 500kW a 500VDC o an
ms. Para aplicaciones debajos voltajes y grandes corrientes, se
usan un par de rectificadores trifsicos,tres pulsos interconectados
con transformador IPT. Para grandes corrientes desalida, son
preferidos los rectificadores con IPT para conectar
dispositivosdirectamente en paralelo. Hay muchas aplicaciones para
rectificadores. Algunosson:
Variadores de velocidad de motores DC. Cargadores de batera.
Fuentes de alimentacin DC para aplicaciones como
electro-plateado.
1.3.2. CONVERTIDOR DC-AC
El convertidor que cambia voltajes DC a voltaje alternado es
llamado Inversor.Al; comienzo los inversores eran implementados con
SCRs. Debido a que loscircuitos necesarios para apagar los SCRs
eran muy complejos, actualmente seusan otros dispositivos
semiconductores de potencia tal como los transistoresbipolares
(BJT), MOSFET de potencia, transistores de compuerta aislada
(IGBT)y los tiristores controlados por MOS (MCTs).Comnmente, solo
los inversores con un gran rango de potencia, tal como500kW o
mayores, son implementados con SCRs o tiristores apagados
porcompuerta (GTOs).
Existen muchos circuitos inversores y las tcnicas para
controlarlos vara encomplejidad.
Ventrada = VDC(valor constante)
Vsalida = VAC(valor variable)
INVERSOR+
-
MOSFET IGBT
Fig. 1.4
-
Electronica de Potencia Tecsup Virtu@l
Pag. 4 Unidad I
Algunas de las aplicaciones de los inversores son:
Sistemas de luces de emergencia. Variadores de velocidad de
motores AC. Fuentes de alimentacin ininterrumpidas (UPS).
Convertidores de frecuencia.
1.3.3. CONVERTIDOR DC-DC
Cuando se usaban los SCRs, un circuito convertidor DC-DC era
llamadoChopper.Hoy en da, los SCR son poco usados en convertidores
DC-DC. En su lugar seusan los transistores de potencia y los
circuitos convertidores DC-DC sonllamados Fuentes de alimentacin
conmutadas.
Ventrada = VDC(valor constante)
Vsalida = VDC(valor variable)
FUENTECONMUTADA
+
-
MOSFET IGBT
+
-
Fig. 1.5
A continuacin tenemos los siguientes tipos:
Fuente de alimentacin conmutada Step-down. Fuente de alimentacin
conmutada Step-Up. Convertidor Fly-back. Convertidor
resonante.Algunas de las aplicaciones de las fuentes de alimentacin
conmutadas son:
Variador de velocidad de motor DC. Cargador de bateras. Fuente
de alimentacin DC.
1.3.4. CONVERTIDOR AC-AC
Un cicloconvertidor o cicloinversor convierte voltaje AC, en
otro voltaje AC. Laamplitud y la frecuencia del voltaje de entrada
al cicloconvertidor tiende a serfijo, mientras que la amplitud y el
voltaje de salida tiende a ser variable. Deotro modo, el circuito
que convierte voltaje AC a otro voltaje AC de igualfrecuencia es
conocido como Chopper-AC.
-
Tecsup Virtu@l Electronica de Potencia
Unidad I Pag. 5
Ventrada = VAC(valor constante)
Vsalida = VAC(valor variable)
CICLOCONVERTIDOR+
-
Fig. 1.6
Una aplicacin tpica del cicloconvertidor es usarlo para
controlar la velocidadde un motor AC de traccin de gran potencia,
del orden de unos cuantos MW yse usan los SCRs para implementar
dichos circuitos. Debe notarse que el uso decicloconvertidores no
es tan comn como los inversores y son raramenteusados.
1.4. OBSERVACIONES ADICIONALES A LA ELECTRONICA DE POTENCIA
La mayor cantidad de circuitos de potencia hacen uso intensivo
de inductores ycapacitores.
En muchas aplicaciones de electrnica de potencia, un inductor
puede recibir una grancorriente a alta frecuencia. Las implicancias
de operar un inductor de dicha manera,
hacen necesario el empleo de cables con acabados especiales, as
como ncleosapropiados para limitar las prdidas respectivas y evitar
tambin la interferencia
electromagntica.
Usualmente los capacitores usados en electrnica de potencia son
muy robustos, puesson operados a alta frecuencia y con corrientes
de pico pasando a travs del mismoperidicamente. Esto significa que
el rango de trabajo de los capacitores a la frecuenciade operacin
debe ser chequeado antes de su uso.
En muchos circuitos de electrnica de potencia, los diodos
cumplen un rol crucial. Undiodo de potencia normal es diseado para
ser operado a frecuencias menores a 400Hz.La mayora de inversores y
fuentes de alimentacin conmutadas son operadas afrecuencias muy
altas y por lo tanto se debe usar diodos de conmutacin rpida.
El anlisis de los circuitos electrnicos de potencia tiende a ser
complicado, a causa deque estos circuito raramente trabajan en
estado estable. Tradicionalmente la respuestaen estado estable se
refiere al estado del circuito caracterizado por su respuesta en DC
yrespuesta senoidal. La mayora de los circuitos electrnicos de
potencia tienen respuestaperidica, pero dicha respuesta no es
senoidal. Desde que la respuesta no es senoidal,es necesario
efectuar el anlisis de armnicos.
La electrnica de potencia tiene naturaleza interdisciplinaria.
Para disear y construircircuitos de control de una aplicacin de
electrnica de potencia, se necesitaconocimientos de algunas reas
tal como se lista lneas abajo:
Diseo de circuitos electrnicos analgicos y digitales.
Microcontroladores y procesadores de seales digitales para su uso
en aplicaciones
sofisticadas. Muchos circuitos electrnicos de potencia tienen
una mquina elctrica como carga.
En los variadores de velocidad de motor AC, pueden ser motores
de reluctancia,
-
Electronica de Potencia Tecsup Virtu@l
Pag. 6 Unidad I
motores asncronos o motor sncrono. En un variador de velocidad
de motor DC, sonusados los motores DC tipo shunt.
En los circuitos inversores, un transformador puede conectarse a
la salida y tener quetrabajar con voltajes no senoidales.
Los transformadores de pulso con ncleo de ferrrita son usados
para transferir laseal de disparo al dispositivo semiconductor de
potencia. Transformadores conncleo de ferrita de gran potencia de
salida es tambin usado en aplicaciones talcomo inversores de alta
frecuencia.
Muchos sistemas electrnicos de potencia son operados con
realimentacin negativa.Un controlador lineal tal como el PI es
usado en aplicaciones relativamente simples,mientras que
controladores basados en circuitos digitales o tcnicas
derealimentacin de estado variable son usados en aplicaciones mas
sofisticadas.
Los simuladores por computadora son muy usados para optimizar el
diseo de lossistemas electrnicos de potencia.
El estudio de la Electrnica de Potencia es una experiencia
excitante pues su campo deaplicacin crece da a da. Los nuevos
dispositivos que ingresan al mercado,sustancialmente desarrollan su
trabajo en aplicaciones de Electrnica de Potencia.
FIN DE LA UNIDAD
