2 Introducción a la Electrónica de Potencia

Transcripción

1 T E M A 2 Intrducción a la Electrónica de Ptencia 1

2 2 Intrducción a la Electrónica de Ptencia 2.1 Intrducción Cada vez sn más ls dispsitivs y sistemas que en una varias de sus etapas sn accinads pr energía eléctrica. Ls accinamients cnsisten, en general, en prcess que transfrman la energía eléctrica en tr tip de energía, en el mism tip, per cn diferentes características. Ls encargads de realizar dichs prcess sn ls Sistemas de Ptencia. Un equip electrónic de ptencia cnsta fundamentalmente de ds partes, tal y cm se simbliza en la siguiente figura: Un circuit de Ptencia, cmpuest de semicnductres de ptencia y elements pasivs, que liga la fuente primaria de alimentación cn la carga. Un circuit de mand, que elabra la infrmación prprcinada pr el circuit de ptencia y genera unas señales de excitación que determinan la cnducción de ls semicnductres cntrlads cn una fase y secuencia cnveniente. Antes de pasar al estudi de la electrónica de ptencia, interesa resaltar su principal característica, mstrar sus particularidades y situar el camp de aplicación. En la Electrónica de Señal se varía la caída de tensión que un cmpnente activ crea en un circuit habitualmente alimentad en cntinua. Esta variación permite, a partir de una infrmación de entrada, btener tra de salida mdificada amplificada. L que interesa es la relación entre las señales de entrada y salida, examinand psterirmente la ptencia suministrada pr la fuente auxiliar que requiere para su funcinamient. La función de base es la amplificación y la principal característica es la ganancia. 2

3 2.1 Intrducción 2 En la Electrónica de Ptencia, el cncept principal es el rendimient. El element de base n puede trabajar en régimen de amplificación pues las pérdidas serían elevadas, es necesari trabajar en régimen de cnmutación, siend el cmpnente de base el semicnductr quien trabaja cm interruptr. Este cmpnente trabajand en cnmutación deberá cumplir las siguientes características: Tener ds estads claramente definids, un de alta impedancia (blque) y tr de baja impedancia (cnducción). Pder cntrlar el pas de un estad a tr cn facilidad y cn pequeña ptencia de cntrl. Ser capaz de sprtar altas tensines cuand está blquead y grandes intensidades, cn pequeñas caídas de tensión entre sus extrems, cuand está en cnducción. Rapidez de funcinamient para pasar de un estad a tr. Así pdems definir la Electrónica de Ptencia de la siguiente manera: Electrónica de Ptencia es la parte de la Electrónica encargada del estudi de dispsitivs, circuits, sistemas y prcedimients para el prcesamient, cntrl y cnversión de la energía eléctrica. Sin embarg esta n es la única definición psible. Muhammad H. Rashid en su libr Pwer Electrnics Circuits, Devices and Applicatins (Prentice Hall 1993) cnsidera que la Electrónica de Ptencia cmbina ptencia, electrónica y cntrl. El Cntrl se cupa de las características estáticas y dinámicas de ls sistemas en laz cerrad. La Ptencia se encarga de ls sistemas de ptencia móviles y estátics para la generación, transmisión y distribución de la ptencia eléctrica. Pr últim la Electrónica trata cn ls cmpnentes de estad sólid y circuits para el tratamient de señales cn el bjetiv de btener el cntrl necesari. Pr tant Electrónica de Ptencia se puede definir cm la aplicación de la electrónica de estad sólid para el cntrl y cnversión de la ptencia eléctrica. Ned Mhan, Tre M. Undeland y William P. Rbbins en su libr Pwer Electrnics. Cnverters, Applicatins and Design ( Jhm Wiley & Sns, 1995) definen la tarea de la Electrónica de Ptencia al prcesamient y cntrl de la energía eléctrica suministrand vltajes y crrientes en la manera más óptima para ser utilizada pr diferentes cargas. Cn esta visión, se cnsigue dar cuenta de ls diferentes prcess a ls que 3

4 2 Intrducción a la Electrónica de Ptencia puede verse smetida la energía eléctrica en función de las exigencias de las diferentes cargas que necesiten de dicha energía para realizar un trabaj. Jseph Vithayathil en su libr Pwer Electrnics. Principles and Applicatins, (McGraw-Hill 1995) define a la Electrónica de Ptencia cm la tecnlgía que liga la ptencia eléctrica cn la electrónica. Pr últim, Bimal K. Bse en la intrducción del text Pwer Electrnics and Variable Frequency Drives (IEEE Press 1996) mencina cm la Electrónica de Ptencia cmbina la cnversión y el cntrl de la ptencia eléctrica para diversas aplicacines, tales cm fuentes de alimentación reguladas AC y DC, cntrl de iluminación y calefacción, sldadura eléctrica, prcess electrquímics, calentamient pr inducción, cntrl de máquinas DC y AC, etc. Pr tant, la Electrónica de Ptencia se ha intrducid de llen en la industria en aplicacines tales cm las fuentes de alimentación, cargadres de baterías, cntrl de temperatura, variadres de velcidad de mtres, etc. Es la quien estudia la adaptación de sistemas electrónics de ptencia a prcess industriales, siend un sistema electrónic de ptencia aquel circuit electrónic que se encarga de cntrlar un prces industrial, dnde interviene un transvase y prcesamient de energía eléctrica entre la entrada y la carga, estand frmad pr varis cnvertidres, transductres y sistemas de cntrl, ls cuales siguen hy en día evlucinand y creciend cnstantemente. El camp de la Electrónica de Ptencia puede dividirse en grandes disciplinas blques temátics: En esta asignatura ns encargarems de estudiar ds de ests grandes blques temátics: ls cmpnentes electrónics de ptencia y ls cnvertidres de ptencia. 2.2 Cnvertidres de ptencia Ls sistemas electrónics de ptencia cnsisten nrmalmente en un más cnvertidres de ptencia, que gbiernan la transferencia de energía. El cnvertidr es el mó- 4

5 2.2 Cnvertidres de ptencia 2 dul básic en un sistema de ptencia. En general, un cnvertidr cntrla y mldea la magnitud eléctrica de entrada V i, frecuencia f i y númer de fases m i, en una magnitud eléctrica de salida V, frecuencia f y númer de fases m. La ptencia puede fluir de frma reversible, intercambiándse ls papeles entre la entrada y la salida. De manera general se puede abrdar el estudi de ls distints cnvertidres en función de ls cuatr tips de cnversión psibles: Cnversión alterna-cntinua (rectificadres) Cnversión alterna-alterna (ciclcnvertidres reguladres de alterna) Cnversión cntinua-alterna (inversres) Cnversión cntinua-cntinua (reguladres de cntinua trceadres) Desde el punt de vista real, dad que el funcinamient del sistema encargad de transfrmar el tip de presentación de la energía eléctrica viene cndicinad pr el tip de energía dispnible en su entrada, hems adptad cm criteri para la estructuración del prgrama de la asignatura: clasificar ls cnvertidres estátics de energía en función del tip de energía eléctrica que ls alimenta, tal y cm se muestra en la siguiente figura: 5

6 2 Intrducción a la Electrónica de Ptencia Camps de aplicación En general ls sistemas de ptencia se utilizan para accinar cualquier dispsitiv que necesite una entrada de energía eléctrica distinta a la que suministra la fuente de alimentación primaria. Veams a cntinuación algunas de las aplicacines industriales de cada un de ls cnvertidres: Rectificadres: Alimentación de td tip de sistemas electrónics, dnde se necesite energía eléctrica en frma de crriente cntinua. Cntrl de mtres de cntinua utilizads en prcess industriales: Máquinas herramienta, carretillas elevadras y transprtadras, trenes de laminación y papeleras. Transprte de energía eléctrica en c.c. y alta tensión. Prcess electrquímics. Cargadres de baterías. 6

7 2.2 Cnvertidres de ptencia 2 Reguladres de alterna: Calentamient pr inducción. Cntrl de iluminación. Cntrl de velcidad de mtres de inducción. Equips para prcess de electrdepsición. Cambiadres de frecuencia (ciclcnvertidres): Enlace entre ds sistemas energétics de crriente alterna n sincrnizads. Alimentación de aernaves grups electrógens móviles. Inversres: Accinadres de mtres de crriente alterna en td tip de aplicacines industriales. Cnvertidres crriente cntinua en alterna para fuentes n cnvencinales, tales cm la ftvltaica eólica Calentamient pr inducción. Trceadres: Alimentación y cntrl de mtres de cntinua. Alimentación de equips electrónics a partir de baterías fuentes autónmas de crriente cntinua. Es imprtante cnsiderar n sól ls mencinads cnvertidres de ptencia pr separad, sin también las psibles asciacines entre ambs. En esta línea, un de ls ejempls más imprtantes dentr del camp industrial es la unión de rectificadres e inversres cn el fin de btener sistemas de alimentación ininterrumpida, de vital imprtancia en cmplejs hspitalaris, centrales nucleares, centrs de cálcul, 7

8 2 Intrducción a la Electrónica de Ptencia Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI, UPS) Batería CA / CC Rectificadr Quirófans Centrales telefónicas CC / CA Inversr Centrales nucleares Centrs de cálcul 2.3 Dispsitivs semicnductres de ptencia Dentr de ls dispsitivs electrónics de ptencia, pdems citar entre trs muchs, cm pr ejempl ls dids y transistres de ptencia, el tiristr, así cm trs derivads de ésts, tales cm ls triac, diac, cnmutadr unilateral SUS, transistr uniunión UJT, el transistr uniunión prgramable PUT y el did Shckley. A su vez, existen tiristres de características especiales cm ls fttiristres, ls tiristres de dble puerta y el tiristr blqueable pr puerta (GTO). L más imprtante a cnsiderar de ests dispsitivs, es la curva característica que ns relacina la intensidad que ls atraviesa cn la caída de tensión entre ls electrds principales. Además, y tal y cm se cmentó anterirmente, el cmpnente básic del circuit de ptencia debe cumplir ls siguientes requisits: Tener ds estads claramente definids, un de alta impedancia (blque) y tr de baja impedancia (cnducción). Pder cntrlar el pas de un estad a tr cn facilidad y pequeña ptencia. Ser capaces de sprtar grandes intensidades y altas tensines cuand está en estad de blque, cn pequeñas caídas de tensión entre sus electrds, cuand está en estad de cnducción. Ambas cndicines l capacitan para cntrlar grandes ptencias. Rapidez de funcinamient para pasar de un estad a tr. 8