Energía y Telecomunicaciones
Alberto Arroyo Gu6érrez Mario Mañana Canteli Raquel Mar>nez Torre Jesús Mirapeix Serrano
Cándido Capellán Villacián
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energé5ca
Este tema se publica bajo Licencia: Crea5ve Commons BY-‐NC-‐SA 4.0
Tema 5.2. Conver6dores electrónicos de potencia. Material complementario
Semiconductores de potencia
€
R off( ) =∞
€
R on( ) = 0
Semiconductores de potencia
€
toff →on = 0
€
ton→off = 0
€
R off( ) =∞
€
R on( ) = 0
Semiconductores de potencia
€
toff →on = 0
€
ton→off = 0
€
R off( ) =∞
€
R on( ) = 0
Semiconductores de potencia
€
voff ,max =∞
€
ion, max = ∞
€
toff →on = 0
€
ton→off = 0
€
R off( ) =∞
€
R on( ) = 0
Semiconductores de potencia
€
voff ,max =∞
€
ion, max = ∞
€
Pcontrol = 0
Introducción (II)
Introducción (II)
Diodo
Tiristor
GTO
BJT
MOSFET
IGBT
€
Pe
€
Ps€
Pp
€
η =PsPe
=Pe − PpPe
=1−PpPe
Conver6dores ca/cc
Conver6dores ca/cc.
Cuadrantes de funcionamiento
Conver6dores ca/cc.
Topologías
€
ve t( ) =Vem sin ωt( )
€
Vem
π
Conver6dores ca/cc.
Puente simple media onda
€
Vs,dc =12π
Vem sin α( )dα0
π
∫ = −Vem
2πcos α( )
0
π
= −Vem
2πcos π( ) − cos 0( )( ) =
Vem
π=
2Ve,rms
π
€
Vs,rms =12π
Vem2 sin2 α( )dα
0
π
∫ =Vem2 π2π2
=Vem
2=
2Ve,rms
2
€
Vs,ondulatoria = Vs,rms2 −Vs,dc
2 =Ve,rms2
2−2Ve,rms
2
π 2 =Ve,rms12−2π 2 = 0,54Ve,rms
Conver6dores ca/cc.
€
VL,cc = valor medio vL t( ){ } =2V1,maxN2
N1π
Conver6dores ca/cc.
Puente simple con transformador de toma intermedia
€
VL,cc = valor medio vL t( ){ } =2V1,maxN2
N1π
Conver6dores ca/cc.
Puente simple con transformador de toma intermedia
€
VL,cc = valor medio vL t( ){ } =2V1,maxN2
N1π
Conver6dores ca/cc.
Puente simple con transformador de toma intermedia
Conver6dores ca/cc.
Puente de onda completa
Conver6dores ca/cc.
Puente de onda completa
Conver6dores ca/cc.
Puente de onda completa
€
α
Ac6vación
Conver6dores ca/cc.
Puente de onda completa
€
α€
vL,cc α( ) =12π
V1,max sin β( )dβ =α
π
∫ V1,max2π
1+ cosα[ ]
€
v1 t( ) =V1,max sin ωt( )
€
VL,rms =V1,max2
1− απ
+sin 2α( )2π
Conver6dores ca/cc.
Puente de media onda semicontrolado
Conver6dores ca/cc.
Puente onda completa semicontrolado
€
vL,cc α( ) =1π
V1,max sin β( )dβ =α
π
∫ V1,maxπ
1+ cosα[ ]
€
VL,rms =V1,max2
1− απ
+sin 2α( )2π
€
α
€
α
€
Vs = valor medio Vs t( ){ } =1T
Vs t( )dt0
T
∫ =1T
Vedt0
τ
∫ =τTVe
Conver6dores cc/cc. Reductor
Principio básico
Leon Freris and David Infield. «Renewable Energy in Power Systems». Copyright 2008. Published by John Wiley & Sons, Ltd. All rights reserved.
€
il
Conver6dores cc/cc. Reductor
Análisis detallado
€
iC
€
vl
Leon Freris and David Infield. «Renewable Energy in Power Systems». Copyright 2008. Published by John Wiley & Sons, Ltd. All rights reserved.
€
vl =Vin −Vout = L ΔIt1
€
il
€
Imax
€
t1
Conver6dores cc/cc. Reductor
Análisis detallado
€
iC
€
t1
€
vl
€
Vin −Vout
Leon Freris and David Infield. «Renewable Energy in Power Systems». Copyright 2008. Published by John Wiley & Sons, Ltd. All rights reserved.
€
vl = −Vout = −L ΔIt2
€
vl =Vin −Vout = L ΔIt1
€
il
€
Imax
€
Imin
€
t1
€
t2
Conver6dores cc/cc. Reductor
Análisis detallado
€
iC
€
t1
€
t2
€
vl
€
Vin −Vout
€
−Vout
Leon Freris and David Infield. «Renewable Energy in Power Systems». Copyright 2008. Published by John Wiley & Sons, Ltd. All rights reserved.
€
vl = −Vout = −L ΔIt2
€
vl =Vin −Vout = L ΔIt1
€
δ =t1
t1 + t2€
Vout =Vint1
t1 + t2= δVin
€
il
€
Imax
€
Imin
€
t1
€
t2 €
ΔI
Conver6dores cc/cc. Reductor
Análisis detallado
€
iC
€
t1
€
t2
€
ΔI
€
vl
€
Vin −Vout
€
−Vout
Power Electronics. dc-‐dc step-‐down (buck) converter
€
Ve = L ΔIt1
€
Vs =Ve + L ΔIt2
=Ve 1+t1t2
€
k =t1
t1 + t2
€
Vs =Ve11− k
Conver6dores cc/cc. Elevador
Principio básico
€
il
€
iC
€
vl
Conver6dores cc/cc. Elevador
Análisis detallado
Leon Freris and David Infield. «Renewable Energy in Power Systems». Copyright 2008. Published by John Wiley & Sons, Ltd. All rights reserved.
€
il
€
Imax
€
t1
€
iC
€
t1
€
vl
Conver6dores cc/cc. Elevador
Análisis detallado
Leon Freris and David Infield. «Renewable Energy in Power Systems». Copyright 2008. Published by John Wiley & Sons, Ltd. All rights reserved.
€
Vin
€
vl =Vin = L ΔIt1⇒ LΔI =Vint1
€
il
€
Imax
€
Imin
€
t1
€
t2
€
iC
€
t1
€
t2
€
vl
€
−Vout
€
vl =Vin = L ΔIt1⇒ LΔI =Vint1
€
vl = −L ΔIt2
=Vin −Vout = −Vint1t2
Conver6dores cc/cc. Elevador
Análisis detallado
Leon Freris and David Infield. «Renewable Energy in Power Systems». Copyright 2008. Published by John Wiley & Sons, Ltd. All rights reserved.
€
Vin
€
il
€
Imax
€
Imin
€
t1
€
t2 €
ΔI
€
iC
€
t1
€
t2
€
vl
€
−Vout
Conver6dores cc/cc. Elevador
Análisis detallado
Leon Freris and David Infield. «Renewable Energy in Power Systems». Copyright 2008. Published by John Wiley & Sons, Ltd. All rights reserved.
€
vl =Vin = L ΔIt1⇒ LΔI =Vint1
€
Vout =Vin 1+t1t2
=Vin
1
1− t1t1 + t2
€
vl = −L ΔIt2
=Vin −Vout = −Vint1t2
€
Vin
Power Electronics. dc-‐dc step-‐up (boost) converter
Conver6dores cc/cc. Elevador
Conver6dores cc/cc. Elevador
Conver6dores cc/cc. Elevador
Fig. 5.26. Forma de onda de salida de un inversor de onda cuadrada.
€
vL t( )
€
Vcc
€
−Vcc
S3, S4 on S1, S2 off S3, S4 off
S1, S2 on €
T2
€
T
Conver6dores cc/ca
Fig. 5.25. Estructura básica de un inversor. €
Vcc
S2
S3 S1
S4 €
vL t( )
R
Fig. 5.26. Forma de onda de salida de un inversor de onda cuadrada.
€
vL t( )
€
Vcc
€
−Vcc
S3, S4 on S1, S2 off S3, S4 off
S1, S2 on €
T2
€
T
Conver6dores cc/ca
Fig. 5.25. Estructura básica de un inversor. €
Vcc
S2
S3 S1
S4 €
vL t( )
R
Control del inversor
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Onda cuadrada
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Onda cuadrada
¿Es posible controlar?
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Frecuencia de salida Onda cuadrada
¿Es posible controlar?
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Frecuencia de salida Onda cuadrada
¿Es posible controlar?
SI
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Frecuencia de salida Onda cuadrada
¿Es posible controlar?
Valor eficaz
SI
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Frecuencia de salida Onda cuadrada
¿Es posible controlar?
Valor eficaz
SI
NO
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Frecuencia de salida
PWM
Onda cuadrada
¿Es posible controlar?
Valor eficaz
SI
NO
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Frecuencia de salida
PWM
Onda cuadrada
¿Es posible controlar?
Valor eficaz
Frecuencia de salida
SI
NO
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Frecuencia de salida
PWM
Onda cuadrada
¿Es posible controlar?
Valor eficaz
Frecuencia de salida
SI
NO
SI
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Frecuencia de salida
PWM
Onda cuadrada
¿Es posible controlar?
Valor eficaz
Frecuencia de salida
Valor eficaz
SI
NO
SI
Conver6dores cc/ca
Control del inversor
Frecuencia de salida
PWM
Onda cuadrada
¿Es posible controlar?
Valor eficaz
Frecuencia de salida
Valor eficaz
SI
NO
SI
SI
Conver6dores cc/ca
Fig. 5.27. Modulación PWM unipolar construida mediante una señal de referencia sinusoidal y una portadora triangular.
Señal de referencia
Señal portadora
Vcc
–Vcc
vL(t) €
mf =f portadoraf referencia
€
ma =Vreferencia
Vportadora
Conver6dores cc/ca
Conver6dores cc/ca
Conver6dores ca/ca
€
R
€
vL
€
ve
Fig. 5.28. Circuito básico de un convertidor ca/ca monofásico.
€
T1
€
T2
Conver6dores ca/ca
Semiciclos posi6vos
€
R
€
vL
€
ve
Fig. 5.28. Circuito básico de un convertidor ca/ca monofásico.
€
T1
€
T2
Conver6dores ca/ca
Semiciclos posi6vos
Semiciclos nega6vos
€
R
€
vL
€
ve
Fig. 5.28. Circuito básico de un convertidor ca/ca monofásico.
€
T1
€
T2
€
VL,rms =1
n + mnVe,rms
2 + m.0[ ] =Ve,rmsn
n + m
€
k =n
n + m
€
VL,rms =Ve,rms k
Conver6dores ca/ca
Control todo/nada
€
VL,rms α( ) =1π
2Ve,rms sinβ( )2dβ
α
π
∫
€
VL,rms α( ) =Ve,rms 1−απ
+sin 2α( )2π
Conver6dores ca/ca
Control de fase
Conver6dores ca/ca
Control de fase
Ejercicio 1
Ejercicio 2
Ejercicio 3
Ejercicio 4
Ejercicio 5