CAPITULO 1 electrónica de potencia

8/16/2019 CAPITULO 1 electrónica de potencia

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ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICADE POTENCIA”

1.1 HISTORIA

La historia de la electrónica de potencia empezó en el año de 1900(figura 1.1), con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Luego se

descubre el rectificador de tanque metlico, el rectificador de tubo al !ac"o dere#illa controlada, el ignitrón, el fanotrón $ el tiratrón. %stos dispositi!os tu!ieron suaplicación en el control de la energ"a hasta la d&cada de 19'0 (figura 1.).

Figura 1.1. Hecho ig!i"ica#i$o e! %a e$o%uci&! 'e %a E%ec#r&!ica 'e Po#e!cia.

La primera re!olución de la electrónica se inició en 19* con la in!encióndel transistor de silicio en los +ell elephone Laboratories. La ma$or"a de lastecnolog"as electrónicas a!anzadas actuales tienen su origen en estedescubrimiento. %n 19'-, el mismo laboratorio, incorporo el transistor de disparo//, que se definió como un iristor o rectificador controlado de silicio (2),figura 1..

La egunda re!olución de la electrónica empezó en 19'3 con el desarrollo

del iristor comercial por 4eneral %lectric ompan$, figura 1.. %se fue el principiode una nue!a era en la electrónica de potencia. 5esde entonces se hanintroducido di!ersos tipos de dispositi!os semiconductores de potencia $ t&cnicasde con!ersión. %n la actualidad la re!olución de la electrónica de potencia nosest dando la capacidad de formar $ controlar grandes cantidades de energ"a conuna eficiencia cada !ez ma$or. 617

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Figura 1.(. Hecho ig!i"ica#i$o e! %a e$o%uci&! 'e %a E%ec#r&!ica 'e Po#e!cia.

Figura 1.) Hecho ig!i"ica#i$o e! %a e$o%uci&! 'e %a E%ec#r&!ica 'e Po#e!cia.

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8 continuación se presentara un pequeño estudio de cómo estabanconformado los siguientes dispositi!os el :gnitrón $ el iratrón, que fueron los;ltimos dispositi!os que se utilizaron en la electrónica de potencia en el control dela energ"a.

1.1-1 El Ignitrón

%n 19stees un rectificador de mercurio l"quido de tres electrodos. u nombre fue deri!adodel m&todo del encendido del arco.

%l :gnitrón es una ?l!ula grande de ctodo fr"o que se usa para conmutar corrientes intensas. %l nodo es generalmente un bloque de carbono $ el ctodouna bolsa de @ercurio. %l electrodo acti!ador o encendedor es una !arilla dearborundo (carburo de silicio) especialmente conformada $ parcialmentesumergida en el @ercurio. uando pasa por el encendedor (interruptor) unacorriente mu$ intensa se produce una emisión electrónica en los puntos decontacto con el @ercurio que se e!apora para formar un paso conductor entre los

electrodos. Las !ersiones ma$ores de ignitrones tienen cubiertas compuestas demetal $ !idrio con un sistema de enfriamiento por agua similar al de losrectificadores de arco de @ercurio de los cuales se han deri!ado.

%ste dispositi!o puede soportar tensiones de hasta 0,000 ?olts $ corrientesde !arios miles de amperios, siendo la ca"da de tensión en conducción de 1' a 0?olts. u estructura bsica $ caracter"stica de !olta#e $ corriente se muestran en lafigura 1..

Figura 1.*. Ig!i#r&!. a+ E#ruc#ura. ,+ S,o%o. c+ Carac#er#ica 'e /A0 -IA.

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La conducción se pro!oca en el momento deseado aplicando un impulso de0 a '0a $ unos cientos de !oltios entre la terminal de disparo llamado ignitor $ elctodo, el&ctricamente conectado a la cubeta que contiene el mercurio. %l nododebe estar pre!iamente polarizado a tensión positi!a respecto al ctodo.

%l ignitor termina en una punta de material semiconductor refractario comoarburo de +oro o grafito. enetra ligeramente en el mercurio $ deforma lasuperficie produciendo una potente fuente emisora de electrones, al serle aplicadoel impulso de disparo, una distribución de potenciales entre la punta $ el l"quidoque alcanza gradientes del orden de millones de !oltios por cent"metro. %lmercurio próAimo se ioniza inmediatamente $ dispara la !l!ula en unos 10 µs,siendo los electrones emitidos por el l"quido encargados de soportar la conducciónposible. uando la intensidad de nodo se hace mu$ pequeña, la ionización no sepuede mantener $ el ignitrón se apaga o se bloquea.

e trata de un componente mu$ robusto que puede mane#ar una granpotencia $ soportar bien sobreBtensiones $ sobreBcorrientes. %l disparo por ignitor es mu$ simple $ fiable, aunque algunas !eces suelen conectarse dos en paralelopara ma$or seguridad. La tensión en conducción, es bastante ele!ada, es unincon!eniente por que el rendimiento resultante no es mu$ bueno $ el tamaño dela !l!ula debe ser grande por razones de disipación de temperatura.

e constru$en ignitrones de gran potencia con el tanque refrigerado por agua mediante un serpent"n (conducto). ara e!itar el deterioro del nodo degrafito por calentamiento, se realiza con una gran superficie receptora $ seapantalla de la radiación calor"fica que recibir del mercurio mediante un cono $ unanillo directi!os de grafito (figura 1.'). el camino que debe recorrer el plasmaelectrónico hacia el nodo aumenta de esta forma $ tambi&n lo hace ligeramentela ca"da de tensión en conducción.

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Figura 1.. Ig!i#r&! ,%i!'a'o. Secci&! a2ia%.

Los ignitrones se emplean en instalaciones de rectificación de alta tensión eintensidades $ en locomotoras el&ctricas con motores de 5. Cn ignitrón para

locomotora puede tener un peso de -0 Dg. 6176-761'7

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1.1-2 El Tiratrón

%n 199 se introduce el iratrón, desarrollado por 8. Ehull. >ste es un tubode ctodo caliente que contiene gas inerte o !apor de mercurio a ba#a presión. Laintroducción del gas en un tubo electrónico tr"odo altera radicalmente suscaracter"sticas de funcionamiento. %l iratrón act;a como un rectificador diodo a

gas con una re#illa de control. %n la figura 1.- se muestra el s"mbolo del tiratrón dectodo caliente. %ntre el nodo 8 $ el ctodo se encuentra la re#illa de control ode mando 4.

Figura 1.3. S,o%o 'e #ira#r&! 'e c4#o'o ca%ie!#e.

%n un tiratrón de ctodo caliente, la corriente que pasa por una carga sepuede controlar !ariando la polarización de la re#illa de control. La re#illa de controlrequiere de una tensión negati!a o bien, una tensión positi!a para que comience aoperar.

%n la figura 1.3a se muestra un circuito de un tiratrón conectado comorectificador de media onda. %n esta figura se obser!a una fuente de alimentación!ariable (?). on dicha fuente, se puede !ariar la polarización de la re#illa decontrol $ por lo tanto, se puede reducir el inter!alo de tiempo durante el cual

conduce el tiratrón (figura 1.3b). %n esta figura, la forma de onda entre nodo $ctodo muestra que, con el control de polarización a#ustado a un !alor, el tubo dectodo caliente no conduce hasta que se alcanza la tensión ?1. uando alcancedicha tensión, entonces se dispara $ conduce durante el inter!alo t β. 5urante elsemiciclo negati!o se bloquea el tiratrón. La forma de onda del !olta#e de carga $de la corriente de carga +8 (figura 1.3b), indica que el comienzo de la conducciónse ha retrasado hasta el instante correspondiente a +, esto se debe por laaplicación de una polarización negati!a a la re#illa de control. 5urante el inter!alo5 (figura 1.3b) en que el tubo esta conduciendo, la corriente en la re#illadisminu$e aproAimadamente hasta cero.

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(a) (b)

Figura 1.5. a+ Tira#r&! co!ec#a'o coo rec#i"ica'or 'e e'ia o!'a co! e% co!#ro% 'e /C 6,+ Fora 'e o!'a.

Los tiratrones de ctodo caliente dieron lugar a una reducción considerable,$a que en los iristores se han encontrado una profunda aplicación como !l!ulasde conmutación en los dispositi!os de rel& $ de conmutación.

Los incon!enientes de los tiratrones se concretan en la !ida ;til, que es

relati!amente pequeña, tambi&n a la gama de temperatura ms limitada que la delos iristores, $a que ellos pueden operar en una gama de !ariación de latemperatura ambiente comprendida entre 1' $ 0 0. 6176-761'7

1.1.-3 Definición De La Electrónica De Potencia

5urante mucho tiempo ha eAistido la necesidad de controlar la potenciael&ctrica de los sistemas de tracción $ de los controles industriales impulsados por motores el&ctricos, as" pues la electrónica de potencia ha re!olucionado la idea delcontrol para la con!ersión de potencia $ para el control de los motores el&ctricos.

La electrónica de potencia combina la energ"a, la electrónica $ el control, elcontrol se encarga del r&gimen permanente $ de las caracter"sticas dinmicas delos sistemas de lazo cerrado. La energ"a tiene que !er con el equipo de potenciaesttica $ rotati!a o giratoria, para la generación, transmisión $ distribución de la

energ"a el&ctrica. La electrónica se encarga de los dispositi!os $ circuitos deestado sólido requeridos en el procesamiento de las señales para cumplir con losob#eti!os de control deseados.

La electrónica de potencia se puede definir como la aplicación de laelectrónica de estado sólido para el control $ la con!ersión de la energ"a el&ctrica.%n la figura 1.* se muestra la interrelación de la electrónica de potencia con laenerg"a, la electrónica $ el control.

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Figura 1.7. Re%aci&! 'e %a e%ec#r&!ica 'e 8o#e!cia co! %a e!erga9 %a e%ec#r&!ica 6 e% co!#ro%

La electrónica de potencia o electrónica de las corrientes fuertes es unat&cnica relati!amente nue!a que se ha desarrollado a partir de la %lectrónica $ de

la %lectrotecnia, gracias al a!ance tecnológico en la fabricación de lossemiconductores de potencia. Fa alcanzado un lugar importante en la tecnolog"amoderna $ se utiliza ahora en una gran di!ersidad de productos de alta potencia,que son controles de calor, controles de iluminación, controles de motor, fuentesde alimentación, sistemas de propulsión de !eh"culos $ sistemas de corrientedirecta de alto !olta#e (F?5). on las tendencias actuales en el desarrollo de losdispositi!os de potencia $ los microprocesadores, las aplicaciones de laelectrónica de potencia cada d"a ms es indefinida. 67 61'7

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8lgunas aplicaciones de la electrónica de potencia son

8bre puertas el&ctricos 8condicionamiento del aire 8larmas 8larmas contra robo 8mplificadores de audio

8rrancadores para turbinas de gas 8tenuadores 8tenuadores luminososalderasalefacción por inducciónargador de +ater"asentelladores luminososharolas para calentar alimentosomputadorasontroles de calor ontroles lineales de motor de inducciónorriente 5irecta de 8lto ?olta#e (F?5)%lectrodom&sticos

%lectroimanes%le!adoresGuentes de alimentación para aerona!esGuentes de alimentación para laser 4rabaciones magn&ticas4r;as $ tornosFerramientas el&ctricasFerramientas manuales de potencia

@olinosecadoras?eh"culos el&ctricos?entiladoresGuente de alimentación para radarHsonar

ontroles de hornosontroles de motor Guentes de alimentación:nterruptores estticos(sistemas noBbreaI)+ombas $ compresoresGotocopiasontroles de señales de trnsitoistemas de seguridad2ele!adores estticosontroles de temperatura+alastras para lmparas de arco de mercurioGuentes de alimentación no interrumpiblesoldadura

La!adorasJuguetesrenes2eguladores de !olta#eGuentes de poder para aplicacionesespaciales 67 61'7

Cn equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente dea) Cn circuito de potencia, compuesto de semiconductores de potencia $

elementos pasi!os (transformadores, bobinas $ capacitores, etc.)b) Cn circuito de mando, que elabora la información proporcionada por el

primero $ genera unas señales de eAcitación que determinan la conducciónde los semiconductores controlados (iristores) con una fase $ unasecuencia con!enientes.

%n la figura 1.9 se presenta un diagrama de bloques de un equipo electrónicode potencia. 6


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Figura 1.1


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1.1-$ To%olog&a De #irc'itos Electrónicos De Potencia

5esde que se desarrolló el primer iristor de rectificador controlado desilicio (2), a fines de 19'3, ha habido grandes adelantos en los dispositi!ossemiconductores de potencia. Fasta 1930, los iristores con!encionales se hab"anutilizado en forma eAclusi!a para el control de la energ"a en aplicaciones

industriales. 8 partir de 1930, se desarrollaron !arios tipos de dispositi!ossemiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial. >stosse pueden di!idir en cinco tipos principales

1.B 5iodos de potencia..B iristores.


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ctodo es ms alto que el !olta#e de nodo, se dice que el diodo est en modo debloqueo.

%Aisten !arias configuraciones de diodos de uso general, mismos que seagrupan bsicamente en dos tipos. Cno se conoce como de perno o montado enperno $ el otro como de disco empacado a presión (figura 1.11).

Figura 1.11. co!"iguracio!e 'e 'io'o 'e uo ge!era%.

Cn iristor tiene tres terminales un nodo, un ctodo, $ una compuerta.uando una pequeña corriente pasa a tra!&s de la terminal de la compuerta haciael ctodo, el iristor conduce, siempre $ cuando la terminal del nodo est& a unpotencial ms alto que el ctodo. Cna !ez que el iristor est en un modo deconducción, el circuito de la compuerta no tiene ning;n control $ el iristor contin;a conduciendo. uando un iristor est en un modo de conducción, laca"da de potencial en directa es mu$ pequeña, t"picamente 0.' a ?olts. Cn

iristor que conduce, se puede desacti!ar haciendo que el potencial del nodo seaigual o menor que el potencial del ctodo. Los iristores conmutados en l"nea sedesacti!an en razón de que el !olta#e de entrada sea senoidal, $ los iristoresconmutados en forma forzada se desacti!an, mediante un circuito adicional deconmutación.

%n la figura 1.1 se muestran !arias configuraciones de iristores decontrol de fase (o de conmutación de l"nea) tipo perno, tipo plano, $ tipo de agu#a.

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Figura 1.1(. Co!"iguracio!e 'e Tiri#ore.Los iristores conmutados en l"nea estn disponibles con especificaciones

de hasta -000 ?olts,


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Figura 1.1). Di8oi#i$o 'e Po#e!cia.

1.1-( )enta*as ! Des+enta*as De Los Seicon,'ctores

Las principales razones t&cnicas para la utilización de sistemas electrónicos$ de potencia son a menudo la gran !elocidad $ la dinmica de regulación que se

asocia a sus dispositi!os. La soldadura sin pro$ección, el tren sobre colchónmagn&tico, la fabricación por electroerosión $ las mquinas herramientas sonbuenos e#emplos de ello.

Las principales razones económicas son la reducción del peso $ el !olumen(lo que compone, a menudo, un ahorro importante de hierro $ de cobre) $ el buenrendimiento de los equipos. La alimentación en modo conmutado en lostele!isores reduce el costo de producción. %n los equipos informticos, tienen la!enta#a de una reducción en la disipación t&rmica en salas climatizadas. %n losmedios de transporte, la alimentación en modo conmutado permite obtener ganancias en peso $ en !olumen, lo que se traduce finalmente en la reducción del

peso $ del consumo de los !eh"culos. 61'7 8 continuación se presentara algunas !enta#as $ des!enta#as de los

semiconductores $ de los dispositi!os que fueron reemplazados por estos mismos.

)enta*as ! Des+enta*as De Los Seicon,'ctores

)ETAAS

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@enor costo @enor tamaño @a$or rapidez de conmutación Libres de mantenimiento (eAcepto limpieza eAterior) apacidad en mane#o de altas corriente

Kperación silenciosa /o necesitan de sistemas de enfriamiento Guertes resistencias a los choques $ aceleraciones 8usencia de !ibraciones (no ha$ arco el&ctrico) :nsensibilidad a las sobrecargas

DES)ETAAS

/o pro!ee aislamiento el&ctrico (los re!eladores s") 2equiere de cuidado en su coneAión Les puede afectar la alta temperatura Gciles de destruir si se sobrepasan sus especificaciones 2equieren !olta#es regulables

)enta*as ! Des+enta*as De Los Dis%ositi+os Ree%la/a,os

)ETAAS

ro!een aislamiento el&ctrico

apacidad de mane#ar altas corrientes (tambi&n los iristores tienen capacidadde mane#ar corrientes altas)

DES)ETAAS

osto ele!ado on !oluminosos Lentos en la conmutación o función 2uidos al traba#ar 2equieren de sistemas de enfriamiento 2equieren del efecto de rebote el&ctrico

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