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Electronica Potencia
ELECTRNICA DE POTENCIA:
Aspectos Generales y Convertidores Electrnicos
Alexander Bueno MontillaUNIVERSIDAD SIMN BOLVAR
Departamento de Conversin y
Transporte de Energa
Febrero, 2015
I
II
ndice general
ndice general III
I 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
IV NDICE GENERAL
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
1.16. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2. Calidad de Servicio Elctrico 19
2.1. Transitorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1. Impulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.2. Oscilaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2. Variaciones de Tensin de Corta Duracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1. Hueco o Sag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.2. Oleaje o Swell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3. Interrupcin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3. Variaciones de Tensin de Larga Duracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4. Desbalance de tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5. Parpadeo de tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6. Desbalance de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7. Distorsin en la Forma de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.8. Caracterstica y Clasificacin de los fenmenos Electromagnticos . . . . . . . . . 29
2.9. Curva CBEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.10. Curva ITIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3. Circuitos con Interruptores 33
3.1. Definiciones: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2. Circuito Resistivo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3. Circuito Resistivo Capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
NDICE GENERAL V
3.3.1. Resolucin de la Ecuacin Diferencial en Corriente . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.2. Solucin de la Ecuacin Diferencial Utilizando Transformada de Laplace . 37
3.3.3. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4. Circuito Resistivo Inductivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.1. Resolucin de la Ecuacin Diferencial en Corriente: . . . . . . . . . . . . 40
3.4.2. Resolucin de la Ecuacin Diferencial por Transformada de Laplace . . . . 40
3.4.3. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5. Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.1. Solucin Homognea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.2. Solucin Particular Fuente Constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.3. Solucin Particular (Rgimen Sinusoidal Permanente) . . . . . . . . . . . 42
3.5.4. Solucin Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5.4.1. Solucin Particular por el Mtodo Clsico. . . . . . . . . . . . . 43
3.5.5. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.6. Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
II Aspectos Generales y Dispositivos 47
4. Introduccin 49
4.1. Resea Histrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2. Funciones Bsicas de los Convertidores Electrnicos de Potencia . . . . . . . . . . 50
4.3. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.1. Residencial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.2. Comercial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.3. Industrial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.4. Transporte: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.5. Transmisin y Otras Utilidades: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4. Dispositivos Semiconductores de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.1. Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
VI NDICE GENERAL
4.4.2. Tiristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4.3. Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.4. Tiristores Auto Desactivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.5. Transistores BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.6. MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.7. IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.8. SIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5. Clasificacin de los Semiconductores de Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6. Seleccin de Semiconductores de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.7. Ventajas y Desventajas de la Electrnica de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . 68
III Puentes AC - DC 71
5. Rectificadores de Media Onda No Controlado 73
5.1. Aspectos Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2. Rectificador con Carga Resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.1. Tensin Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.3. Tensin Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.4. Corriente Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.5. Factor de Rizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3. Rectificador con Carga Resistiva Inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.1. Tensin Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.3. Tensin Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.4. Corriente Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.5. Factor de Rizado en Tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.6. Simulacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4. Rectificador con Carga Inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
NDICE GENERAL VII
5.4.1. Tensin Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4.3. Tensin Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . .