Procesamiento de Potencia

Transcripción

1 Procesamiento de Potencia La razón por la cual se necesitan convertidores conmutados es la eficiencia de potencia. η = P out P in (1) P perdidas = P in P out = P out ( 1 η 1) (2) Las pérdidas, a parte de desperdicio de energía, implican calentamiento de elementos que debe extraerse del convertidor. El calor implica: Adición de sistemas de refrigeración, baja confiabilidad del sistema y reducción de vida útil de componentes Procesamiento p.1/17

2 Elementos de los convertidores Se utilizan elementos que disipen bajas potencias. Se evitan elementos resistivos y semiconductores en modo lineal. Linearmode Switched-mode Resistors Capacitors Magnetics Semiconductor devices DT s T s En un interruptor ideal la potencia disipada es cero. Los semiconductores de potencia operando en corte/saturación (modo no lineal), se asemejan a interruptores ideales. Procesamiento p.2/17

3 Interruptor ideal Cuando el interruptor está cerrado v(t) = 0. Cuando el interruptor está abierto i(t) = 0. En ambos casos, p(t) = v(t)i(t) = 0. v(t) i(t) Procesamiento p.3/17

4 Ejemplo 1. Convertidor DC-DC El convertidor de la figura se utiliza para alimentar una carga de 500 W. Diseñe una solución para el problema. I 10A V g 100V Dc-dc R converter 5 V 50V Procesamiento p.4/17

5 Soluciones disipativas A. Divisor resistivo V g 100V P in = 1000W 50V P loss = 500W R 5 I 10A V 50V P out = 500W B. Regulador serie 50V I 10A V g 100V P in 1000W linear amplifier R and base driver 5 P loss 500W V ref V 50V P out = 500W Procesamiento p.5/17

6 Solución de alta eficiencia 1 I 10 A V g 100 V 2 v s (t) R v(t) 50 V v s (t) V g DT s (1 D) T s t switch position: V s = DV g Procesamiento p.6/17

7 Solución de alta eficiencia Período de conmutación : T s Tiempo de encendido : T on = DT s Tiempo de apagado : T off = T s T on = (1 D)T s Ciclo de trabajo : 0 D = T on T s 1 Voltaje promedio : v = 1 T s Ts 0 v(t)dt = DV g La señal obtenida tiene componente DC = DV g y el objetivo se logra con D = 0,5. Ya que el interruptor es ideal, η = 100 %. No obstante, la salida posee componentes armónicas de la frecuencia fundamental f s = 1 T s. Un filtro pasa-bajas permite extraer solo la componente DC. Procesamiento p.7/17

8 Filtro pasa-bajas removal of switching harmonics: V g 100 V 1 i(t) L 2 v s (t) C R v(t) P in 500 W P P loss small out = 500 W El filtro L-C no introduce pérdidas. Frecuencia de corte: f 0 = 1 2π LC Se diseña para: f 0 << f s. Este circuito se llama Buck converter o convertidor reductor. Procesamiento p.8/17

9 Esquema de control Cualquier variación en la fuente, elementos del circuito o la carga, produce cambios en voltajes y corrientes. Se requiere de un esquema de regulación externo que realice automáticamente los cambios necesarios de D. Power input Switching converter Load i v g v H(s) Sensor gain (t) Transistor gate driver Pulse-width modulator v c G c (s) Compensator Error signal v e Hv dt s T s t Reference input v ref Procesamiento p.9/17

10 Esquema de control El procedimiento por el cual se realimenta toda o parte de una señal desde la salida del sistema a la entrada se denomina realimentación Note que en el esquema realimentado existe un compensador. El compensador debe procurar mejoras en la respuesta transitoria y garantizar la estabilidad del sistema. Procesamiento p.10/17

11 Ejemplo 2. Inversor Monofásico 1 v s (t) 2 V g 2 v(t) load 1 v s (t) t El ciclo de trabajo se modula senoidalmente. El filtro extrae la componente fundamental de la modulación. Señal moduladora: δ(t) = D sin ω 0 t, con ω 0 << ω s = 2πf s. Procesamiento p.11/17

12 Aplicaciones de la electrónica de potencia Los niveles de potencia que se manejan en los convertidores conmutados son variados Menos de 1 Vatio en equipos portables operados por baterías. Decenas, cientos y miles de vatios en fuentes de potencia para computadores y equipo de oficina. Kilo vatios a Mega vatios en actuadores de control de velocidad de motores. Giga vatios en rectificadores e inversores para líneas de transmisión de suministro de DC. Procesamiento p.12/17

13 Ejemplos de aplicaciones Sistemas de potencia para un computador laptop Inverter Display backlighting v ac (t) i ac (t) Charger PWM Rectifier Buck converter Microprocessor Power management ac line input Vrms Lithium battery Boost converter Disk drive Procesamiento p.13/17

14 Ejemplos de aplicaciones Sistemas de potencia en un satélite artificial Dissipative shunt regulator Solar array v bus Battery charge/discharge controllers Dc-dc converter Dc-dc converter Batteries Payload Payload Procesamiento p.14/17

15 Ejemplos de aplicaciones Sistemas de potencia en un vehículo eléctrico ac machine ac machine Inverter Inverter control bus 3øac line 50/60 Hz Battery charger battery v b DC-DC converter µp system controller Low-voltage dc bus Vehicle electronics Inverter Inverter Variable-frequency Variable-voltage ac ac machine ac machine Procesamiento p.15/17

16 Elementos de electrónica de potencia Para el manejo de sistemas de potencia se requieren conceptos de diversos campos: Circuitos analógicos Dispositivos electrónicos Sistemas de control Sistemas de potencia Electromagnetismo Máquinas eléctricas Simulación numérica Procesamiento p.16/17

17 Elementos de electrónica de potencia En este curso se abordarán los siguientes tópicos para algunos convertidores de potencia. Modelado matemático de los convertidores. Diseño del compensador. Dispositivos electrónicos de potencia. Simulación. Procesamiento p.17/17