Electrónica de Potencia

Transcripción

1 Electrónica de Potencia Tema 1: Introducción Definición Electrónica de Potencia (Power Electronics): Aplicación de la Electrónica de Estado Sólido al control y la conversión de la Energía Eléctrica. 1

2 Generalidades Técnica relativamente reciente desarrollada a partir de la Electrónica y la Electrotécnia. La aplicación no es nueva, antes se usaban: Soluciones electromecánicas. Válvulas termoiónicas. La novedad es el empleo de dispositivos de estado sólido. Posible gracias al avance tecnológico de los semiconductores de potencia. Rango de potencias: de mw a MW. Válvulas: tubo rectificador 2

3 Válvulas: rectificador ½ onda Válvulas: rectificador onda completa 3

4 Válvulas: rectificador hexafásico Válvulas: tiratrón 4

5 Válvulas: tiratrón de vapor de Hg Válvulas: alta frecuencia + alta potencia Hasta no hace mucho los semiconductores no permitían el manejo de grandes potencias a alta frecuencia. Radar WWII 600 MHz, pulsos de 10kW Triodo 3 GHz Tetrodo UHF 100 kw En servicio hasta

6 Válvulas: alta frecuencia + alta potencia Fueron de uso común en radares, emisoras de radio y televisión. También se usaron en satélites de telecomunicaciones. Válvulas: uso actual (I) En la mayoría de las aplicaciones han sido sustituidas por la dispositivos de estado sólido: Más compactos. Mecánicamente menos frágiles. Más fiables. Vida útil más larga. Energéticamente más eficientes. Más baratos de producir. Adaptados a un mayor rango de potencias. 6

7 Válvulas: uso actual (II) Sin embargo todavía se usan en aplicaciones muy específicas: Aplicaciones militares. Radares Generadores de microondas. Aceleradores de partículas, fusión nuclear. Amplificadores de audio. Todavía se investiga en posibles nuevas generaciones y nuevas aplicaciones. Semiconductores vs Válvulas Modo de fallo Semiconductores Válvulas Arcos Fallo al primer arco. Muy resistentes a los arcos. Sensibilidad térmica Voltajes controlados Requieren una refrigeración elaborada. Hasta 20kV por dispositivo. Pueden operar hasta 500 C sin refrigeración. Hasta 1,2MV por dispositivo. Corrientes controladas Complejidad del Circuito Hasta 8kA por dispositivo. Muy complejo. Hasta 1MA por dispositivo. Muy sencillo 7

8 Sistemas electromecánicos En la industria eran comunes soluciones basadas en motores (CA, CC) y alternadores o dinamos. ~ M D = CA/CC = M A ~ CC/CA Variadores de frecuencia Electrónica de Potencia: Pros y contras Ventajas: Mejores prestaciones: mayor estabilidad, mejor respuesta dinámica. Mayor fiabilidad y vida más larga. Mantenimiento casi nulo (por la ausencia de partes móviles). Ausencia de vibraciones. Ausencia de arcos. Inconvenientes: Los semiconductores son más delicados que los componentes electromecánicos ante situaciones de sobrecarga. Esto exige un diseño cuidadoso de los circuitos y el empleo de protecciones adecuadas. 8

9 Historia 1900 Rectificador de arco de Hg. Rectificador de tanque metálico. Rectificador de tubo de alto vacío de rejilla controlada. Ignitrón. Fanotrón. Tiratrón Se inventa el transistor bipolar BJT (Bardeen, Brattain y Schockley. Laboratorios Bell) Se inventa el SCR (Laboratorios Bell) General Electric comercializa el 1 er SCR. 1970's 1980's 's Primeros transistores unipolares (FET) de potencia. IGBT. Smart Power. Florecimiento de la E.P. Prioridades de diseño Rendimiento lo más elevado posible: η = P salida P entrada 1 Se trata de transformar la energía eléctrica suministrada a la entrada adaptándola a los parámetros demandados a la salida con la menor pérdida de energía posible. 9

10 Prioridades de diseño Dada la elevada potencia manejada, esto es importante: Económicamente: reducción gasto energético, desarrollo sostenible. Técnicamente: necesidad de evacuar el calor. Operativamente: autonomía de dispositivos alimentados por baterías. Prioridad de diseño. Ejemplo En un sistema de 100 kw con un rendimiento del 90% se disiparían en forma de calor: P disipada = 1 η P entrada = 10kW Más del doble de la potencia contratada en una vivienda habitual. 10

11 Estructura básica de un Sistema de Electrónica de Potencia FUENTE DE ENERGÍA Pe CIRCUITO O PLANTA DE POTENCIA Ps CARGA A L I M R E A L C N T R L CONSIGNA CIRCUITO DE CONTROL Estructura básica de un Sistema de Electrónica de Potencia Circuito o planta de potencia: Semiconductores y componentes pasivos (condensadores, bobinas, y, con mucha menor frecuencia, resistencias). Encargado de la conversión entre la entrada y la salida. Es el que maneja la mayor parte de la energía del sistema. 11

12 Estructura básica de un Sistema de Electrónica de Potencia Circuito de mando: Genera las señales de excitación de los semiconductores del circuito de potencia. Las señales se modifican en función de la señal de consigna y de las señales realimentadas desde el circuito de potencia. Se alimenta del circuito de potencia. Maneja una potencia muy pequeña comparado con el circuito de potencia. Contenido de la asignatura En la asignatura de Electrónica de Potencia nos centraremos en el estudio de: Semiconductores de potencia. Componentes pasivos de potencia. Circuitos de potencia. No profundizaremos en los circuitos de control. 12

13 Aplicaciones Aplicaciones industriales Control de motores. Máquinas herramienta. Fuentes de alimentación. Trenes de laminado. Transporte y generación Alimentación de sistemas de energía eléctrica. electrónicos. Carga de baterías. Hornos de inducción. Galvanoplastia. Soldadura. Aplicaciones de consumo Electrodomésticos de línea blanca. Electrodomésticos de línea marrón. Electrónica personal. Domótica. Transporte Aplicaciones aeroespaciales y de defensa Vehículos eléctricos. Carretillas elevadoras. Locomotoras. Encendido electrónico. ABS, ASR, faros de xenón, cierres, ventanillas. Transmisores VLP Fuentes de alimentación para el espacio y la avaiación. Conmutación por reles de estado sólido. Lavadora. Lavavajillas. Aire acondicionado. Televisión. Vídeo. Audio. PC. PDA. Electrónica portátil. Teléfonos móviles. Reguladores de luz. Control de calefacción. Sistemas de seguridad. Tipos de circuitos de potencia Existen varias clasificaciones. Una de las más comunes se basa en el tipo de corriente eléctrica a la entrada y la salida del circuito de potencia: Convertidores CA/CC o rectificadores. Convertidores CA/CA o reguladores de alterna. Convertidores CC/CC o reguladores de continua. Convertidores CC/CA o inversores. 13

14 Combinación de circuitos de potencia No es raro combinar en un solo sistema de potencia distintos convertidores: ~ ~ = = ~ M Cicloconvertidor SAI (UPS) = = ~ ~ = Regulador de continua Combinación de circuitos de potencia La combinación de varios convertidores permite: Flexibilizar el diseño. Superar limitaciones tecnológicas o de orden práctico. Ejemplo: en un convertidor CC/CC con una diferencia de tensión muy grande entre la entrada y la salida puede ser conveniente realizar la conversión en varias etapas o usar un transformador porque: No hay disponibles semiconductores que manejen las corrientes o tensiones necesarias (limitación tecnológica). El ciclo de trabajo del semiconductor conduce es muy grande o muy pequeño y la regulación resulta complicada y muy sensible a perturbaciones o tolerancias (limitación práctica). Si convertimos a CA, podemos usar un transformador para adaptar las tensiones, lo que nos da un grado de libertad más para llevar el ciclo de trabajo a una zona más conveniente (mayor flexibilidad de diseño). 14