Convertidores Electrónicos de Potencia PDF

Convertidores Electrónicos de Potencia Integración de Energías Renovables Grado en Ingeniería de la Energía Rafael J. Moreno Sáez  Conversión de Energía Fuente de Energía (Power Source)  presenta la energía de una determinada forma (c.a., c.c.)...

Convertidores Electrónicos de Potencia Integración de Energías Renovables Grado en Ingeniería de la Energía Rafael J. Moreno Sáez  Conversión de Energía Fuente de Energía (Power Source)  presenta la energía de una determinada forma (c.a., c.c.) dTE - Convertidores de Potencia  Conversión de Energía Consumo de Potencia (Power Consumption)  Se entrega la energía recogida de la manera lo más eficiente posible dTE - Convertidores de Potencia Conversión de Energía Esquema tradicional Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks, Strzalecki (Springer 2008) dTE - Convertidores de Potencia  Conversión de Energía Sistema Electrónico de Potencia (SEP)  Un Convertidor (circuito Electrónico Potencia) que realizar el proceso de recogida y entrega (conversión) de energía mediante:  interruptores controlados (semiconductores),  inductancias,  transformadores  condensadores.  SIN elementos disipativos, idealmente (eficiencia elevada) dTE - Convertidores de Potencia  Conversión de Energía Sistema Electrónico de Potencia (SEP) Convertidor Circuito de Control realizar el proceso de recogida y entrega (conversión) de energía mediante: funciones son:  interruptores controlados (semiconductores)  Sintetizar la onda de salida  inductancias,  Asegurar las calidad de ésta en función de  transformadores la carga  condensadores.  SIN elementos disipativos, idealmente (eficiencia elevada) dTE - Convertidores de Potencia Electrónica de Potencia dTE - Convertidores de Potencia  Electrónica de Potencia Algunas Definiciones:  Aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y conversión de la potencia eléctrica (M. H. Rashid, 1993)  El procesamiento y control de la energía eléctrica suministrando voltajes y corrientes en la manera más óptima para ser utilizada por diferentes cargas (N. Mohan et al., 1995)  Combina la conversión y el control de la potencia eléctrica para diversas aplicaciones…(B.K. Bose, 1996) Parte de la Electrónica encargada del estudio de dispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos para el procesamiento, control y conversión de la energía eléctrica. dTE - Convertidores de Potencia  Electrónica de Potencia Se centra en el estudio de los circuitos y técnicas que permiten la manipulación de energía eléctrica Objetivo principal es el RENDIMIENTO dTE - Convertidores de Potencia  Electrónica de Potencia Aplicaciones Tradicionalmente en entornos industriales y transporte  trenes, tranvías, carros de golf… Actualmente se han incorporado para  Aplicaciones cotidianas:  Electrodomésticos, aires acondicionados, herramientas  Nuevos entornos:  Coches eléctricos, sistemas de potencia FACTS, sistemas de energía renovables dTE - Convertidores de Potencia Electrónica de Potencia Visión Interdisciplinar dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Los Semiconductores que se emplean en los circuitos de Electrónica de Potencia funcionan como: INTERRUPTORES dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Interruptor (Semiconductor) Misión:  controlar el paso de corriente/tensión hacia un circuito  con la mayor eficiencia energética posible Curva Característica Ideal:  relaciona la intensidad (I) que atraviesa el dispositivo con la caída de tensión (V) dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Tiempo de Conmutación Interruptor Ideal Interruptor Real tOFFON = 0; tONOFF = 0 tOFFON ≠ 0; tOFFON ≠ 0  El tiempo para la  Deseable: Cortos tiempos conmutación entre entre bloqueo y conducción estados de bloqueo y apagado. conducción es nulo. (Uso a frecuencias elevadas) dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Tensión - Corriente Interruptor Ideal Interruptor Real VOFF, máx = ∞ VOFF, máx  Soporta una tensión infinita Gran capacidad de bloquear tensión entre sus terminales cuando directa e inversa. se encuentra en el estado de ION, máx bloqueo. Gran capacidad de conducir corrientes elevadas. ION, máx = ∞  Soporta una intensidad de Capacidad para resistir tensión y paso infinita cuando se corriente simultáneamente durante encuentra en el estado de conducción. las transiciones de los estados. dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Potencia Interruptor Ideal Interruptor Ideal Pcontrol = 0 Pcontrol ≠ 0  Potencia consumida por  Pequeña potencia para el circuito de control nula. control. PON y POFF = 0  Consumo de potencia despreciable en ambos estados dTE - Convertidores de Potencia  Dispositivos de Potencia Resistencia Interruptor Ideal Interruptor Real ROFF = ∞ RON  Presenta una resistencia  Coeficiente de temperatura infinita entre sus terminales positivo en la resistencia del cuando se encuentra en el estado de bloqueo. estado de conducción. RON = 0  Al paralelizar componentes,  Presenta una resistencia estos comparten la corriente. nula entre sus terminales cuando se encuentra en el estado de conducción. dTE - Convertidores de Potencia Semiconductores de Potencia dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia  Requisitos:  Dos estados definidos: bloqueo(corte), conducción  Conmutación:  control de un estado a otro sencillo  poco consumo, eficiente  velocidad cambio estado  Gestión de grandes potencias:  Corte: soportan altas tensiones  Conducción: soportan altas corrientes dTE - Convertidores de Potencia Semiconductores de Potencia Clasificación  Controlados dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados Conducción o Bloqueo en función del signo de la señal Puros rectificadores  Diodos  DIAC  Shockley dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados: Diodo (modelo Ideal) Elemento circuital Modelo ideal Curva característica ideal Bloqueo Conducción Inversa (VAK < 0) Directa (VAK ≥ 0) Cortocircuito Circuito Abierto https://www.youtube.com/watch?v=4ThvGy2o4uA dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados: Diodo (modelo Real) Curva característica real Modelo real  Tiempo de Recuperación (transitorio)  Inversa (de conducción a bloqueo):  10us (diodo normal)  0.5 a 2 us (diodo rápido)  Directa (de bloqueo a conducción):  de menor importancia que el anterior  diodo se asemeja a una Resistencia Dinámica (Rd) ya que su valor decrece con el tiempo- dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados: Diodo de Potencia  Presenta dos estados: bloqueo, conducción  Tiempo de paso de un estado al otro determina la frecuencia de trabajo  Márgenes de Funcionamiento, pueden llegar a:  Corrientes de 1.500A  Tensiones de 2.000V dTE - Convertidores de Potencia  Diodos de Potencia Parámetros dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados: Otros  Diodos SCHOTTKY: es una unión METAL-SEMICONDUCTOR (Tipo N). Para conmutaciones rápidas, con caída de tensión directa muy baja (0.3V) y cientos de amperios (1A-300A) soportan en inversa poca tensión (50-100 V). Rectificadores de Bajo Voltaje.  Diodos de recuperación rápida (FRED): tiempos de recuperación inferior a 5 μseg. para aplicaciones de alta frecuencias (conmutaciones de hasta ns), soportan cientos de voltios (50V-3kV) y cientos de amperios (1A-300A).  Diodos de frecuencia de línea. Pequeña caída de tensión directa. Corrientes de hasta KA y tensiones inversas de hasta KV. Tiempos de recuperación mayores (aptos para frecuencia de línea, ~50Hz). Encapsulado TO-200AB Encapsulado DO-5 (>1400 V, > 100A) (>30 A, hasta 1600 V) dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia No controlados: DIAC Diodo de Corriente Alterna  El dispositivo conduce cuando se alcanza cierta tensión (VBO≈30 V) para la que se consigue una corriente mínima de disparo (IBO)  Una vez que se dispara, la tensión cae y la corriente sube muy bruscamente: picos de corriente repentinos  Funciona igual en ambas direcciones  Cuadrante 1: VA2>VA1 conducen P1N2P2N3  Cuadrante 1: VA2 VK  Si no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá bloqueado (OFF) independientemente del signo de la tensión VAK  Aplicando un DISPARO o pulso de corriente (IG) en puerta, durante una tiempo determinado (pequeño), pasará a conducción (ON)  Una vez empieza a conducir, se fija al estado de conducción (ON), aunque la corriente de puerta desaparezca  NO puede ser cortado por pulso de puerta.  SEMICONTROLADO VA < VK  Solo cuando la corriente se invierte (o se hace inferior a un valor umbral) se bloqueará (OFF) el tiristor dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia Controlados por Pulso, Tiristor Regiones de funcionamiento  Bloqueo Inverso, VAK < 0  Bloqueo Directo, VAK > 0 sin disparo  Conducción  Disparo (estado inestable) dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia Controlados por Pulso, Tiristor DISPARO Circuito de Disparo Vpuerta VG t1 t2 t dTE - Convertidores de Potencia  Factores de forma en SEP Electrónica es hoy sinónimo de elementos muy pequeños:  MOSFET, BJT, Zener,…  Microprocesadores, comunicaciones, instrumentación electrónica (miniaturas) Fuente: M.Rico (Gijón, Junio 2010) dTE - Convertidores de Potencia  Factores de forma en SEP Existen componentes con tamaños muy grandes  Rectificadores controlados de Silicio (SCR) que permiten manejar muy altos niveles de potencia (3700A, 8kV) dTE - Convertidores de Potencia  Semiconductores de Potencia Controlados por Pulso : GTO GATE TURN-OFF THYRISTOR (GTO)  Variedad de tiristor completamente controlable  Permite controlar conducción y bloqueo con un solo terminal de puerta  La conducción se produce con un disparo (pulso positivo entrante) de corriente en puerta  El bloqueo se produce aplicando una tensión negativa en puerta con respecto a cátodo (VGK