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Electronica de Potencia i

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ELECTRONICA DE POTENCIA I UniversidadFrancisco de Paula Santander Facultad de Ingenieras Ingeniera Electrnica Ingeniera Electromecnica 1 UNIDAD I CONCEPTOS BASICOS DE ELECTRONICA DE POTENCIA 2 1.1 NATURALEZAY APLICACIONES DE LA ELECTRONICADEPOTENCIA LaElectrnicadePotenciaes unsaberdelaingeniera,que utiliza los conceptos, mtodos y teorasdela Electrnica(analgicaydigital), laTeoradeControlyla Electrotecnia(circuitos, medidas, y mquinas elctricas, sistemasdedistribuciny transmisin),paraconvertiry controlarlaenergaelctrica disponible,generalmente alternatrifsicaomonofsica condiferentesnivelesde voltaje,enlaclasedeenerga requerida por la carga. Electrnica De Potencia Circuitos Semiconductores componentes Electrnica Y Dispositivos La electrnica de potencia moderna seorigina ,conlainvencin delSCR en1958porGeneralElectric.EnaossucesivosaparecenelTRIACy otrosthyristores,ysedesarrollanlostransistoresdepotencia(BJT, MOSFET, IGBT). Finalizando la dcada de los 80s aparece el MCT.Loscircuitosdecontrolseoptimizanenladcadadelos90sconlas tecnologas FPGA y ASIC. Elpropsitodelaelectrnicadepotenciaseobtienemediantelos sistemasdeelectrnicadepotencia,quesecaracterizanporunaalta eficiencia. Laaltaeficienciarepercuteenahorroenelconsumodeenerga,y ademslasbajasprdidasdepotenciapermitenreducirelvolumenyel peso del sistema de electrnica depotencia(S.E.P.) Fig 1.01 La Electrnica de Potencia(6). 3 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.2 SISTEMA DE ELECTRONICA DE POTENCIA (SEP) Energa elctrica disponible Filtro De Entrada ConvertidorCircuito depotencia Filtro De Salida Actuadores De los DSP Circuito de ControlTransductores Carga Flujo de PotenciaEnerga elctrica modificada y controlada Fig. 1.02 Diagrama de bloques de un SEP(5) 1.2.2 FUNCIONES Y ELEMENTOS DELOS BLOQUES DE UN SEP 1.2.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DENOMINACIONFUNCIONELEMENTOS Filtro de Entrada Reducirlacantidadde armnicosdecorrienteenla fuenteyminimizarlas interferencias electromagnticas. Capacitores Inductores Convertidor (circuito de potencia) Transformar la naturaleza de la energaelctrica,utilizando dispositivossemiconductores depotencia(DSP)como interruptores. Thyristores Transistores de potencia Hbridos Filtros de Salida Adecuarlaformadeondade voltajedelconvertidor,al requerido por la carga Capacitores Inductores Actuadores de los DSP Adecuarenpotencialas sealesdecontrol,alosrequerimientos de los DSP. Transformador de pulso Optoacopladores Transistores Circuito de controlImplementarlaestrategiade control del convertidor Microcontroladores Electrnica discreta Transductores Transformarlasvariables mecnicas,elctricas, trmicas,etc,delacarga,en seales elctricas. Transformadoresde instrumentos Termistores TacmetrosEncoders CargaTransformarlaenerga elctricaenenergamecnica, qumica, lumnica, trmica. Motores Hornos Lmparas 4 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.3 FUENTES DE ENERGIA PRIMARIA 1.3.1 RED DE SUMINISTRO DE VOLTAJE ALTERNO a)Acometida subterrnea(10)b)Acometida area(10) Fig 1.03 Acometidas en bajatensinSedisponedeunareddevoltaje alternodef=60hz,enlospases americanoscondiferentesniveles devoltaje;Enbajatensinse normalizanlossiguientesvoltajes; 120,120/240,208/120.480/227 voltios. Laalimentacinenbajatensinse realiza mediante acometida area o subterrnea.Losconductores areosdelaacometida,vandesde unpostehastaelcontador elctrico. Enlaacometidasubterrnea,se conectanlosconductoresalas lneasreasdedistribucin,yse bajanporunatuberahastatierra, ysellevanenformasubterrnea hasta el contador. Enlasinstalacionesindustrialesse disponeatravsdeuna subestacinde13,2o34,5kv,de voltajesenmediatensinde 440/254o480/277v.Elvalorlmitede perturbacin del voltaje es 10% delvalornominal,eldela frecuenciaes1Hzyel desequilibrioadmitido es 2%. 5 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.3.2 BATERIAS a) Estructura fsicac) Circuito equivalente para el modo activo (fuente)(6). Fig. 1.04 Circuitosequivalentes de la batera decido plomo. b) Circuito equivalente para el modo pasivo (carga)(6). Rdes Son fuentes de energa recargables. Las ms comunes son las de plomo cido y la de nquel cadmio; por consideracioneseconmicas,la msutilizadaesladeplomo-cido, conformada por un nodo de bixido deplomo,ctododeplomoy electrolitodecidosulfricodiluido en agua. Elcircuitoequivalenteparamodo pasivo lo conforman: Vint= Potencial electroqumicointerno;dependede latemperaturaylaconcentracin delelectrolito;Rdes,modelael procesodedescargainterna;Rint, modelalaresistenciadelelectrolito ylaestructurainterna(celdas), dependedelatemperaturay concentracindelelectrolito.Cint modelalacapacitanciadelas placas; Rw y Lw, son la resistencia y lainductanciadeloscables externos. Enelcircuitoequivalenteenmodo activo,Vintrepresentalafuerza electromotrizinternadelabatera, denaturaleza,electroqumica; dependedelatemperaturaydela concentracindelelectrolito.Un valortpicodeRint=0,1,paralabaterade12voltios.Lwtienevalor de 500nH/m,cuando la relacin D/r =10;D=distanciaentrecables,r= radio de cable. 6 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.3.3 GENERADOR EOLICO(2) Fig. 1.05 Elementos de un aerogenerador.(2)Fig. 1.06 Conexin del aerogenerador a la red (2) Seutilizalaenergadelviento, paragenerarenergaelctrica. Loselementosdeun aerogeneradorson: Palas del rotor (PR): El diseo, es similaralaladeunavin,su longituddependedelapotencia (20 metros para 600Kw). Cajadetransmisin(CT)otren deengranajes,multiplicaporcasi 50lavelocidaddelaspalas.La tendenciaesaeliminarlaspara reducir peso y mejorar eficiencia. Elgeneradorasncrono(GA)o generadordeinduccin:la potencia actual es de hasta 4Mw. Laconexindelaerogeneradora lared(Fig.1.06),serealiza rectificandoelvoltajetrifsicodel generadorelico,yacoplandoel voltajeDCmedianteunconvertidorDC/AC(inversor),ala red alterna de suministro elctrico. Elcontroldelprocesode acoplamientosehacemediante un microprocesador 7 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.3.4 GENERADORFOTOVOLTAICO Fig. 1.07 Panel solar Fig.1.08 Sistema de generacin fotovoltaico(2) A. P. G. A. G. F. Cargas C. A. Cargas C. D. Red C. A. BaterasUtilizalaenergasolarpara generarenergaelctrica(DC), mediantemuchasceldassolares asociadas en serie y en paralelo. Latecnologaactualdelas celdasesenbasea semiconductores,ylaeficiencia esdel14al20%.Seinvestigala utilizacindemateriales orgnicos. Unalimitacindelsistemaessu costosuperior,conrespectoa otras alternativas de generacin. Un elemento esencial del sistema degeneracinfotovoltaico(Fig. 1.08)eselacondicionadorde potencia(A.P.)cuyasfunciones sonlaconversinCD/CAyla regulacin de carga de la batera. Elgeneradorauxiliar(GA) ,mayoritariamenteesungrupo electrgeno,quesirvede respaldo al generador fotovoltaico (GF)ylasbaterastienencomo funcin,regularlaproduccinde energadeacuerdoala demanda. 8 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS dtdvCdt) Cv ( ddtdqc i = = =1.04 MODELAMIENTO DE COMPONENTES ELECTRICOS YMAGNETICOS 1.04.1 EL CAPACITOR1.04.1.1 GENERALIDADES a) Geometra del capacitor de placas paralelas Fig. 1.09 El capacitorVQdAC =e=Elcapacitorestconformadopor2 placasconductoras,separadasporun materialdielctrico,endondese estableceuna polarizacin dielctrica. El valor de la capacitancia ideal es:

(1.01) = Permitividad elctrica del aislamiento. A = rea de las placas paralelas.d = distancia entre placas. Q = carga elctrica de cada placa. V = Voltaje aplicado a las placas. =Conductividad del dielctrico La corrienteque un capacitor intercambia con un circuitoes: (1.02) Seconocentresclasesdecapacitores: Dedielctriconormal,electrolticosyde doble capa. Elcapacitorrealdifieredelidealen4 aspectos:, a)ExisteiparaV = Vdc. b)ExisteunaLquepuedegenerar resonancia. c)Sedescarganaturalmente,al desconectarlodelafuente c) Presenta prdidas de potencia.,9 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.04 MODELAMIENTO DE COMPONENTES ELECTRICOS YMAGNETICOS 1.04.1.2MODELO CIRCUITAL DEL CAPACITOR(6) a) Circuito equivalente general de un capacitor b) Circuito serie normalizado Fig. 1.10 Modelo circuital del capacitor ) 03 . 1 (Ctan2CfR21R ESRwWo~e+ =) L 04 . 1 ( ESLW=) 05 . 1 (w1XRtanc= = oC L1wW>Las caractersticas reales del capacitorserepresentan,enelcircuito equivalente general (fig1.10 a). RwyLwmodelanlaresistenciae inductancia,delosalambres conductores de conexin. Rfmodelalaresistenciadefuga, responsabledeladescargadel capacitoryCes la capacitancia. Mediante asociaciones serie y paralelo delcircuitoequivalentegeneral,se puedereduciralcircuitoequivalente serie normalizado(fig 1.10 b)

ESR=Resistencia equivalente serie ESL=Inductancia equivalente serie

=ngulo de prdidas=Diferencia entre eldesfaseidealdelacorriente(90)y el desfase real Paraelcapacitorse comporta como un inductor ,10 INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA I. UNIDAD I. UFPS 1.04 MODELAMIENTO DE COMPONENTES ELECTRICOS YMAGNETICOS 1.04.1.3CLASES DE CAPACITORES a) Electrolticos b)Plstico Fig. 1.10 Clases de capacitores Loscapacitoressecaracterizanporlos siguientesvaloresnominales:Cn,Tole rancia deCn,Vn,Vp, In , Ifuga,yfactor de prdidas(tan ). Loscapacitoreselectrolticostienen comodielctricoxidodealuminio(fig 1.10a)ode tntalo.Tienenvalores altos de ESL, yESR(Rf es baja) , y su voltaje nominaleshastade500V,con capacitanciasdecientosdeF.Sonde bajaconfiabilidadyseaplicanenfiltros DCdeentradaysalida,yenprocesosquerequierantiemposcortosde almacenamiento de energa. Los de plstico tienen alta resistencia de aislamiento(pequeascorrientesde fuga)yaltatemperatura.Dependiendo delaarmadura,puedensertipo M(metal)oMKT(metalvaporizado).Los metalizadosdepoliester(fig1.10b) presentanbajosvaloresdeC(hasta 10F)yvaloresaltosdeVn(40Kv).Se aplicanenfiltrosDC,parasuprimirlos transitoriosdeconmutacin.ElMKTse utiliza en aplicaciones hasta de 600 V Losmetalizadosdepolipropilenotienen valoresaltosdeVneInyseaplicanen convertidores resonantes. Lo