ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Transcripción

1 Departamento de Sistemas Electrónicos y de Control Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación Universidad Politécnica de Madrid ELECTRÓNICA DE POTENCIA Guía de aprendizaje Curso 2013/2014

2 Datos básicos de la asignatura Titulación: 59EC Grado en Ingeniería Electrónica de Comunicaciones Departamento: Sistemas Electrónicos y de Control Materia: M12: Electrónica Analógica Número de ECTS: 4,5 Ubicación temporal: 8º semestre Tipo: Optativa Código: Requisitos Es muy recomendable que se haya cursado la asignatura Sistemas Electrónicos de Alimentación Concepto de valor instantáneo, medio y eficaz de una tensión y corriente eléctrica y su implicación en el cálculo de potencia eléctrica. Teoremas fundamentales de electromagnetismo Aplicación práctica de los teoremas de análisis de circuitos. Conocimiento de circuitos electrónicos realimentados, su estabilidad y las técnicas específicas analíticas y gráficas de análisis. Destreza en la utilización de instrumental de laboratorio: osciloscopio, fuente de alimentación, polímetro y generador de funciones. Destreza en el uso de OrCAD PSpice. Competencias Código Competencia Nivel C_GEN_02 Capacidad de búsqueda y selección de información, de razonamiento crítico y de colaboración y defensa de N3 argumentos dentro del área. C_GEN_03 Capacidad para expresarse correctamente de forma oral y escrita y transmitir información mediante documentos y N3 exposiciones en público. C_GEN_04 Capacidad de abstracción, de análisis y de síntesis y de resolución de problemas. N3 C_EC_04 Capacidad para aplicar la electrónica como tecnología de soporte en otros campos y actividades y no sólo en el ámbito de las Tecnologías de la Información y las N3 Comunicaciones. CE_EC_05 Capacidad de diseñar circuitos de electrónica analógica y digital, de conversión analógico digital y digital analógica, de radiofrecuencia, de alimentación y conversión de energía eléctrica para aplicaciones de telecomunicación y computación. N3 1

3 Resultados de aprendizaje RA01 RA02 RA03 RA04 RA05 RA06 RA07 Conocer los principales conceptos, técnicas y circuitos necesarios para comprender, especificar y diseñar sistemas electrónicos de conversión de potencia Conocer las relaciones entre topología, control y función de los circuitos convertidores de potencia Conocer la metodología de diseño de componentes magnéticos utilizados en sistemas electrónicos de conversión de potencia Seleccionar la topología adecuada, el modo de conducción y de control de los convertidores conmutados con aislamiento galvánico Desarrollar soluciones de diseño basadas en convertidores conmutados aislados Conocer las técnicas de inversión de tensión mediante modulación PWM sinusoidal Conocer soluciones prácticas de circuitos o sistemas de potencia, seleccionando las adecuadas en un proyecto de alimentación de cargas eléctricas o electrónicas 2

4 Relación entre competencias y resultados de aprendizaje: C_GEN_02 C_GEN_03 C_GEN_04 C_EC_04 CE_EC_05 RA01 X X X X X RA02 X X X X RA03 X X X RA04 X X X X X RA05 X X X X X RA06 X X X RA07 X X X X X 3

5 Indicadores de evaluación asociados a los resultados de aprendizaje RA Indicadores de evaluación Mínimo Diferenciar los tipos de convertidores de potencia y sus principales aplicaciones X RA01 Seleccionar el convertidor adecuado para un X proyecto basándose en especificaciones Especificar características de funcionamiento de un sistema de conversión de potencia Identificar las topologías circuitales de convertidores X conmutados DC/DC aislados Identificar las topologías circuitales de convertidores X conmutados DC/AC Identificar la importancia de la estrategia de control RA02 sobre idénticas topologías circuitales y el cambio en la función de conversión de potencia obtenida Identificar los cambios en el proceso de diseño que X implica la estrategia de control elegida para los convertidores DC/DC aislados Seleccionar en función de especificaciones, los X componentes magnéticos de los convertidores de potencia Aplicar las técnicas de diseño de componentes X RA03 magnéticos para convertidores de potencia en conmutación Discutir razonadamente los efectos coste/beneficio al relajar parámetros de diseño en componentes magnéticos Seleccionar la topología adecuada de un convertidor DC/DC aislado en base a especificaciones Identificar las diferencias de funcionamiento práctico X RA04 entre los modos continuo y discontinuo de conducción Conocer y aplicar en el proceso de diseño, las X técnicas de control de los convertidores DC/DC aislados Analizar en régimen estacionario tensiones y X corrientes en valor instantáneo y promediado para las topologías DC/DC aisladas Identificar restricciones de diseño para los X RA05 elementos de los convertidores DC/DC aislados según el análisis instantáneo y promediado Utilizar y aplicar la información de los circuitos X integrados comerciales de control de convertidores DC/DC en conmutación 4

6 RA06 RA07 Identificar las implicaciones prácticas para garantizar la estabilidad del circuito de control según el modo de trabajo y la topología del convertidor DC/DC Identificar las técnicas de generación de tensión alterna a partir de tensión continua Aplicar el principio de funcionamiento de los inversores DC/AC basados en modulación PWM sinusoidal Diferenciar las técnicas de conmutación bipolar y unipolar en inversores DC/AC Estudio en función de casos de soluciones de sistemas, equipos o circuitos para alimentación de cargas eléctricas o electrónicas X X X 5

7 Contenidos RA Tema 1. Introducción a la Electrónica de Potencia Concepto de Electrónica de Potencia. Diagrama RA de bloques de un Sistema de Potencia Convertidores electrónicos de potencia. RA Clasificación. Principio de operación y RA02 aplicaciones. 1.3 Definiciones fundamentales. RA01 Tema Práctica 1. Componentes magnéticos en Electrónica de Potencia Revisión de conceptos fundamentales de electromagnetismo aplicados a diseño de componentes magnéticos Núcleos magnéticos. Materiales y formas según frecuencia de funcionamiento Técnicas de diseño de bobinas y transformadores con núcleo de ferrita Diseño y construcción de bobina con núcleo de ferrita RA01 RA03 RA03 RA03 RA03 Tema 3. Convertidores DC/DC aislados Diagrama de bloques, principio de operación, 3.1. comparación entre topologías aisladas y no aisladas Topologías de convertidores DC/DC con 3.2. aislamiento galvánico. Ejemplos de diseño Control PWM. Lazo de tensión y lazo de 3.3. corriente. Compensación Diseño asistido por ordenador de Práctica 2. convertidores DC/DC aislados Práctica 3. Fuente conmutada Flyback RA01 RA02 RA02 RA05 RA02 RA05 RA05 RA05 RA07 Tema 4. Inversores DC/AC 4.1. La red eléctrica RA01 RA Inversores de onda cuadrada Inversores con onda de salida sinusoidal por RA modulación PWM RA Introducción a los S.A.I. RA02 RA Introducción a los inversores resonantes RA06 6

8 Práctica 4. Inversor PWM monofásico RA06 RA07 Tema 5. Técnicas de alimentación de sistemas eléctricos y electrónicos Circuitos de alimentación dedicados. RA Capacidades conmutadas, alimentación de baja tensión y alta corriente, multifase. Circuitos de supervisión/gestión de alimentación RA y hot swap 5.3. Corrección electrónica del factor de potencia RA Técnicas Energy harvesting RA Control electrónico de motores eléctricos RA07 Actividades de enseñanza, aprendizaje y evaluación. El desarrollo de los contenidos teórico/prácticos y de laboratorio se realiza en el aula de laboratorio, acondicionada como aula mixta teoría/laboratorio. En la primera semana lectiva, a modo de introducción, se realizará la presentación de la asignatura y la descripción de los conceptos fundamentales asociados a esta materia, de forma conjunta para todos los alumnos matriculados, habiendo citado a los estudiantes previamente. Se muestra el desarrollo de la asignatura en actividades presenciales y no presenciales, tomando en consideración el calendario correspondiente al semestre de primavera. La siguiente tabla representa el desarrollo de la asignatura para un grupo de la asignatura con distribución 3L, de sus 4,5 ECTS. 7

9 Semana 1 Presentación de la Asignatura Tema 1 Introducción a la Electrónica de Potencia 2 h Laboratorio Revisión de contenidos relacionados en los requisitos de la asignatura 2 h Sala de estudio Estudio individual Semana 2 Tema 2.1 Revisión electromagnetismo Tema 2.2 Tema 2.3 Núcleos magnéticos. Materiales y formas Método gráfico de diseño de autoinducción con núcleo de ferrita Tema 2.3 Ejemplo de diseño de bobina 3h Laboratorio Revisión de los conceptos impartidos Estudio individual Realización de ejercicios propuestos Estudio previo Práctica 1 3h Sala de estudio cooperativo cooperativo y Semana 3 Práctica 1 Diseño y construcción de bobina con núcleo de ferrita 3h Laboratorio Realización de prácticas y Realización de ejercicios propuestos y Realización memoria práctica 1 3h Sala de estudio y cooperativo Semana 4 Tema 2.3 Tema 2.3 Método de diseño de transformadores con núcleo de ferrita Ejemplo de diseño de transformador con núcleo de 3h Laboratorio ferrita 8

10 Revisión Teoría Tema 2 y realización de ejercicios propuestos 3 h Sala de estudio y Semana 5 Tema 3.1 Tema 3.2 Revisión formativa actividades entregables Introducción a las F.A.C. Comparativa con topologías no aisladas ya conocidas Convertidor Flyback. Diseño en modo continuo 3h Laboratorio Revisión teoría Tema 3 Estudio individual Realización informe previo práctica 2 3 h Sala de estudio cooperativo y Semana 6 Tema 3.2 Tema 3.2 Práctica 2 Diseño de convertidor Flyback en modo discontinuo Ejemplo de diseño de convertidor Flyback Diseño asistido por ordenador de Prácticas de y 3 h Laboratorio convertidores DC/DC aislados laboratorio Estudio individual y Revisión Teoría Tema 3 y realización de ejercicios propuestos Tema 3 Revisión información de catálogos ESR en diseño práctica 2 3 h Sala de estudio cooperativo Semana 7 Tema 3.2 Tema 3.2 Práctica 2 Convertidor Forward. Diseño en modo continuo. Ejemplo de diseño de convertidor Forward Diseño asistido por ordenador de convertidores DC/DC aislados 3 h Laboratorio Prácticas de laboratorio y Estudio contenidos teóricos Tema 3 Estudio individual Realización ejercicios Tema 3 3 h Sala de estudio 9

11 Semana 8 Práctica 2 Revisión formativa actividades entregables Diseño asistido por ordenador de Realización de y 3 h Laboratorio convertidores DC/DC aislados prácticas Revisión Teoría Tema 3 y realización de ejercicios 3 h Sala de estudio Estudio individual Semana 9 Tema 3.2 Topologías simétricas. Práctica 2 Diseño asistido por ordenador de convertidores DC/DC aislados 3 h Laboratorio Realización de prácticas y Realización memoria práctica 2 3 h Sala de estudio Semana 10 SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Semana 11 Tema 3.3 cooperativo y Realización Trabajo Final(Tema 5) 6 h Sala de estudio orientado a proyectos Control PWM. Lazos de tensión y de corriente. Compensación Práctica 3 Fuente conmutada Flyback 3 h Laboratorio Realización de prácticas y Revisión Teoría Tema 3 y realización de ejercicios Realización memoria práctica 3 3 h Sala de estudio cooperativo y Semana 12 Tema 4.1 Tema 4.2 Tema 4.3 Tema 4.3 La red eléctrica Inversores de onda cuadrada Ejemplo inversor onda cuadrada Inversor PWM sinusoidal conmutación bipolar 3 h Laboratorio 10

12 Realización trabajo final (Tema 5) orientado a proyectos Revisión Teoría Tema 4 y y 3 h Sala de estudio realización de ejercicios Semana 13 Tema 4.3 Ejemplo inversor sinusoidal Tema 4.3 Conmutación unipolar Tema 4.4 Tema 4.5 Introducción a los S.A.I. Introducción a los inversores resonantes Práctica 4 Inversor PWM monofásico 3 h Laboratorio Realización de prácticas y Realización trabajo final (Tema 5) orientado a proyectos Revisión Teoría Tema 4 y y 3 h Sala de estudio realización de ejercicios Semana 14 Revisión formativa actividades entregables Realización de y Práctica 4 Inversor PWM monofásico 3 h Laboratorio prácticas Semana 15 Realización memoria Práctica 4 cooperativo Sumativa Realización Trabajo Final y preparación de la exposición (Tema 5) 3 h Sala de estudio orientado a proyectos LS Tema 5 Exposición trabajo final 3 h Laboratorio orientado a proyectos Sumativa Preparación examen (itinerario final) 3 h Sala de estudio Estudio individual Semana 16 SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Preparación examen (itinerario final) 6 h Sala de estudio Estudio individual 11

13 Semana 17 SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Preparación examen (itinerario final) 6 h Sala de estudio Estudio individual Semana 18 SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Preparación examen (itinerario final) 1 h Sala de estudio Estudio individual Examen Final Aula de Examen Final (itinerario ev. Final) 5 h examen y Evaluación Sumativa laboratorio Semana 19 SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Preparación examen final conv. extraordinaria 6 h Sala de estudio Estudio individual Semana 20 SEGÚN PLAN ANUAL DOCENTE Preparación examen final conv. extraordinaria 1 h Sala de estudio Estudio individual Prueba evaluación final conv. extraordinaria 5 h Aula de examen y aula de laboratorio Evaluación Sumativa 12

14 Líneas Metodológicas La secuencia de contenidos se desarrolla empleando las sesiones presenciales posibilitando el avance en cada tema de los contenidos teórico/prácticos previo a abordar las sesiones de actividad de laboratorio. Se requiere la utilización de un aula mixta teoría/laboratorio donde desarrollar los contenidos con orientación a diseño y elevado nivel de consecución de las competencias a alcanzar. En las actividades presenciales se utilizan las siguientes metodologías: Clase expositiva orientado a proyectos Realización de prácticas Actividades de evaluación En las actividades no presenciales se emplean las metodologías siguientes: Estudio individual cooperativo orientado a proyectos El trabajo no presencial se realizará individualmente o en pareja, fomentando en este último caso la discusión de opciones de diseño, la toma de decisiones críticas y el razonamiento sobre supuestos prácticos, tanto para abordar con éxito las actividades de diseño de laboratorio como para la realización del trabajo que desarrollará contenidos del Tema 5. Recursos de enseñanza aprendizaje El aula mixta teoría/laboratorio contará con mobiliario para trabajo cooperativo y de laboratorio. El aula dispondrá de una línea de alimentación aislada de tierra por motivos de seguridad eléctrica. Material bibliográfico: Moodle: Transparencias de la asignatura, enunciados de las prácticas, información técnica y enlaces a web de fabricantes de C.I. Diseño de bobinas y transformadores con núcleo de ferrita. Antonio Pérez Ballaltas, Manuel Vázquez Rodríguez. Fuentes de alimentación conmutadas. Antonio Pérez Ballaltas, Manuel Vázquez Rodríguez. POWER ELECTRONICS: A FIRST COURSE. Ned Mohan. Editorial: John Wiley POWER ELECTRONICS: CONVERTERS, APPLICATIONS AND DESIGN. (Third Edition). Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins. Editorial: John Wiley ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Daniel W. Hart. Editorial: Prentice Hall

15 SOLID STATE POWER CONVERSION HANDBOOK. Ralph E. Tarter. Editorial: Wiley Interscience ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª edición). M. H. Rashid. Editorial: Prentice Hall Equipamiento: Cañón proyector Pizarra Mobiliario adaptado aula mixta teoría/laboratorio Puestos de trabajo de laboratorio dotados de: o Ordenador personal (SO Windows) con conexión a Internet. Impresora en red o Licencias OrCAD PSpice o Instrumentos de laboratorio: Fuente de alimentación de potencia, Fuente de alimentación simétrica, Multímetro, Generador de funciones, Osciloscopio digital de 4 canales que permita realizar medidas en las bandas de frecuencia de conmutación y equipado con sondas diferenciales de tensión y sondas de corriente. o Placas de entrenamiento didácticas Evaluación De acuerdo con la Normativa Reguladora de los Sistemas de Evaluación de la Universidad Politécnica de Madrid para los Títulos de Grado con Planes de Estudio adaptados al R.D. 1393/2007, el alumno podrá elegir entre dos sistemas de evaluación excluyentes en la convocatoria ordinaria: Sistema mediante evaluación continua. Sistema de evaluación mediante sólo prueba final: los alumnos que elijan esta modalidad deberán presentar, antes de la tercera semana lectiva, una solicitud por escrito al coordinador de la asignatura indicando la elección de este sistema de evaluación. Así no se realizará ninguna prueba de evaluación continua y únicamente se realizará evaluación final. ITINERARIO DE EVALUACIÓN CONTINUA Todas las notas que se citan en este texto se ajustan al baremo comprendido entre 0 y 10 puntos. La asignatura se supera si la nota final (NF) es mayor o igual a 5 puntos. La nota de la asignatura se obtiene a partir de actividades distribuidas a lo largo del curso: Ejercicios entregables: Evaluación formativa y mediante la realización de ejercicios entregables. 14

16 Diseños y prácticas de laboratorio (asistencia obligatoria 1 ): Evaluación formativa de los informes previos. Evaluación formativa y de la actuación en el aula, de la capacidad de reflexión del alumno en los procesos de diseño y de la memoria final de cada práctica o diseño. Trabajo escrito correspondiente con el tema 5 y exposición pública (asistencia obligatoria 1 ) del mismo. La Nota Final (NF) de la asignatura se obtiene según: 0,1 0,4 0,5 Siendo la nota media de los ejercicios entregables, la nota media de los diseños y de las prácticas de laboratorio y NTf la calificación del trabajo final y de la prueba de exposición pública del mismo. La acumulación de 2 faltas de asistencia sin justificar a las actividades que exigen asistencia obligatoria supondrá la renuncia al itinerario de evaluación continua y la calificación de No Presentado en la convocatoria ordinaria. EVALUACIÓN MEDIANTE SÓLO PRUEBA FINAL Se realizarán dos pruebas finales de forma consecutiva, si el número de alumnos lo permite, el día asignado en el Plan Anual Docente. En caso contrario, con suficiente antelación, se publicará un calendario en el tablón de la asignatura y Moodle con los alumnos convocados en cada turno para la realización de la segunda prueba final. La primera prueba consistirá en la realización de un primer examen final escrito (EF1), de tres horas de duración, dónde se cubrirán indicadores de evaluación correspondientes a los resultados de aprendizaje de los temas de la asignatura. La segunda prueba consistirá en la realización de un segundo examen final (EF2) escrito y práctico en el aula de laboratorio sobre los contenidos y habilidades desarrolladas en las prácticas de laboratorio, con una duración de dos horas. La nota final (NF) de la asignatura se calcula a partir de las notas (entre 0 y 10 puntos) de cada examen final del siguiente modo: 0,6 1 0,4 2 La asignatura se superará con una nota final (NF) mayor o igual a 5 puntos sobre 10. EVALUACIÓN EN EL PERÍODO EXTRAORDINARIO La evaluación en la convocatoria extraordinaria se realizará mediante el procedimiento descrito en el apartado anterior: Evaluación mediante sólo prueba final. 1 Título III, Capítulo I, Artículo 21.A.1: Normativa reguladora UPM (Aprobada Consejo de Gobierno 22/7/2010) 15