Electronica Potencia

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ELECTRONICA POTENCIA

Text of Electronica Potencia

E LECTRNICA DE P OTENCIA :Aspectos Generales y Convertidores Electrnicos

Alexander Bueno MontillaU NIVERSIDAD S IMN B OLVARDepartamento de Conversin yTransporte de EnergaMarzo, 2011

I

II

ndice general

ndice general

I

III

Conceptos Bsicos

1

1. Anlisis de los Circuitos Mediante Series de Fourier.

3

1.1. Serie de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.2. Expresiones de la Serie de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.3. Serie de Fourier forma compleja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.4. Transformada Rpida de Fourier (FFT ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.5. Simetra de la Funcin g(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.5.1. Funcin Par . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.5.2. Funcin Impar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.5.3. Simetra de Media Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.6. Coeficientes de Fourier de Ondas Simtricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.6.1. Funciones Pares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.6.2. Funciones Impares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.6.3. Funciones con Simetra de Media Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.7. Valor Efectivo o Eficaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.8. Valor Medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.9. Factor de Distorsin Armnica Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.10. Factor de Rizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.11. Factor de Forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

III

NDICE GENERAL

IV

1.12. Anlisis de Circuitos Elctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

1.13. Clculo de Potencia Para Formas de Onda Peridicas No Sinusoidales . . . . . . .

12

1.13.1. Potencia Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

1.13.2. Potencia Aparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.13.3. Factor de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.14. Potencia de Distorsin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.15. Ejemplo de Aplicacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2. Calidad de Servicio Elctrico

17

2.1. Transitorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.1.1. Impulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.1.2. Oscilaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.2. Variaciones de Tensin de Corta Duracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.2.1. Hueco o Sag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.2.2. Oleaje o Swell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

2.2.3. Interrupcin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

2.3. Variaciones de Tensin de Larga Duracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.4. Desbalance de tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

2.5. Parpadeo de tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.6. Desbalance de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.7. Distorsin en la Forma de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3. Circuitos con Interruptores

27

3.1. Definiciones: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.2. Circuito Resistivo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.3. Circuito Resistivo Capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.3.1. Resolucin de la Ecuacin Diferencial en Corriente . . . . . . . . . . . . .

30

3.3.2. Solucin de la Ecuacin Diferencial Utilizando Transformada de Laplace .

31

3.3.3. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.4. Circuito Resistivo Inductivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

NDICE GENERAL3.4.1. Resolucin de la Ecuacin Diferencial en Corriente: . . . . . . . . . . . .

34

3.4.2. Resolucin de la Ecuacin Diferencial por Transformada de Laplace . . . .

34

3.4.3. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.5. Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.5.1. Solucin Homognea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

3.5.2. Solucin Particular Fuente Constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

3.5.3. Solucin Particular (Rgimen Sinusoidal Permanente) . . . . . . . . . . .

36

3.5.4. Solucin Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

3.5.4.1.

II

V

Solucin Particular por el Mtodo Clsico. . . . . . . . . . . . .

37

3.5.5. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

Aspectos Generales y Dispositivos

4. Introduccin

4143

4.1. Resea Histrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.2. Funciones Bsicas de los Convertidores Electrnicos de Potencia . . . . . . . . . .

44

4.3. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

4.3.1. Residencial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4.3.2. Comercial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4.3.3. Industrial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4.3.4. Transporte: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.3.5. Transmisin y Otras Utilidades: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.4. Dispositivos Semiconductores de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.4.1. Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.4.2. Tiristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.4.3. Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

4.4.4. Tiristores Auto Desactivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

4.4.5. Transistores BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

4.4.6. MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

NDICE GENERAL

VI

III

4.4.7. IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

4.4.8. SIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

4.5. Clasificacin de los Semiconductores de Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

4.6. Seleccin de Semiconductores de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

4.7. Ventajas y Desventajas de la Electrnica de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . .

63

Puentes AC - DC

5. Rectificadores de Media Onda No Controlado

6567

5.1. Aspectos Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

5.2. Rectificador con Carga Resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

5.2.1. Tensin Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

5.2.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

5.2.3. Tensin Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

5.2.4. Corriente Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

5.2.5. Factor de Rizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

5.3. Rectificador con Carga Resistiva Inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

5.3.1. Tensin Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

5.3.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

5.3.3. Tensin Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

5.3.4. Corriente Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

5.3.5. Factor de Rizado en Tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

5.3.6. Simulacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .