Electrotecnia Variador de Frecuencia

UdelaR / FI / IIE – Electrotécnica I

Electrotécnica IIngeniería Química e Ingeniería Mecánica:

Plan: 97

Generalidades sobreElectrónica de

Potencia

Gonzalo Casaravilla


Contenidos en el programa del curso:

v Objetivos de la Electrónica de Potencia

v Clasificación de convertidores

v Convertidores conmutados por la red: Diodosy tiristores.Ø Convertidor ideal de 6 pulsos, 2 vías.Ø Funcionamiento, tensión de salida. Formas

de onda.Ø Influencia del convertidor en la red de

alimentación.Ø Aplicaciones.

v .Convertidores con conmutación forzada:Ø Inversor trifásico desde fuente de tensión

(VSI).Ø Diagrama de Potenciales.Ø Llaves apagables.

v Aplicación integrada: control de velocidad demotores de alterna.


1. Introducción

1.1. Definición de electrónica depotencia

Electrónica de potencia es el área dela electrónica que trata de laconversión y control de potencia(energía) eléctrica usando dispositivossemiconductores.

1.2. Áreas básica de la ingenieríaeléctrica

• Energía• Información• Materiales y componentes

La electrónica de potencia es unatecnología multidisiplinaria, en la cuallas tres tecnologías básicas juegan unpapel importante.


1.3. Conversión de potencia eléctrica

1.3.1.Definición:

ConvertidoresConvierten la potencia eléctrica decorriente y tensión determinada a otraforma de corriente y tensión.

Tratan de que se pierda elmínimo de energía, lo cualresulta en un menor calor adisipar: ¡costo!


CONVERTIDOR

PP: PERDIDAS

PE: ENTRADA PS: SALIDA

PE=PS+PP

Convertidor

1.3.2.Características de la conversiónde potencia eléctrica en electrónica depotencia.

Objetivo PEntrada = PSalidaPérdidas en componentes activos

(semiconductores) mínimas ⇒llaves ON-OFF

Conducción: ON (mínima resistencia)Corte: OFF (resistencia infinita)


1.4. Diagrama de bloques de un sistema de electrónica depotencia típico

.

CONVERTIDOR FILTROSALIDA

FILTROENTRADA

CONTROL

REALIMENTACIONVARIABLESELECTRICASREALIMENTACIONVARIABLESMECANICAS etc.

APLICACION

DRIVERS

REFERENCIAS


ü Convertidor de energía

ü Filtro de entrada: reduce la distorsiónen la fuente de entrada

ü Filtro de salida: reduce la distorsión ena salida del convertidor

ü Aplicación (eléctrica, mecánica etc..)

ü Comando de las laves (drivers):adaptación de señales, aislacióngalvánica.

ü Circuito de control: inteligencia delsistema.

ü Realimentación variable eléctrica

ü Realimentación variable mecánica

ü Señales de información y referencia(consigna)

ü Sistemas de protecciones


1. 5. Aplicaciones de la electrónica depotencia

1.5.1. Fuentes de alimentaciónü DC: Cargadores de BATERIASü DC: Fuentes de computadoras,

electrodomésticos, etc.ü AC: Fuentes ininterrumpibles (UPS)

1.5.2. Aplicaciones a máquinaseléctricas

ü Control de velocidad AC, DC y paso apasoü Control de posición de motores AC, DC y

paso a pasoü Robots industriales

1.5.3.Sistemas eléctricos de potenciaü HVDC. Transmisión en continua (back to

back)ü FACTS. Flexible AC Transmission

Systems


• FACTS. Flexible AC TransmissionSystems

BESS = Battery Energy Storage SystemIPS = Interphase Power ControllerIPC* = IPC with Power ElectronicsLTC = Transformer-Load Tap changerNGH = Hingorani DamperPAR = Phase-Angle RegulatorSCCL = Super-Conducting CurrentLimiterSMES = Super-Conducting MagneticEnergy StorageSTATCOM = Static SynchronousCompensatorSVC = Static Var CompensatorTCPAR = Thyristor Controlled Phase-Angle RegulatorTCSC = Thyristor Controlled SeriesapacitorTCVL = Thyristor Controlled VoltageLimiterTSBR = Thyristor Switched BrakingResistorTSSC = Thyristor Switched SeriesCapacitorUPFC = Unified Power Flow Controller


1.6. Clasificación de convertidores

1.6.1 Sistemas básicos quesuministren la energía

ü AC: Tensión o corriente alterna sinusoidal

ü DC: tensión o corriente continua.

1.6.2. Clasificación por tipo deconversión

ü Rectificador (AC-DC)ü Inversor (DC-AC)ü Chopper (DC-DC)ü AC-AC

Cuadrogeneral

ENTRADA

SALIDA CA CC

CC Rectificador Chopper

CA DimmerCicloconvertidorConvertidor AC-AC

Inversor


Simbología

DC/DCDIRECTO

∼

AC/DCDIRECTO

∼DC/DC C/ETAPA AC

∼

∼

AC/AC C/ETAPA DC

∼


1.6.3. Clasificación por tipo de fuentede continua (DC)

ü Fuente de corriente -rígido encorriente

ü Fuente de tensión - rígido en tensión

1.6.4.Clasificación por el método deconmutación

¿quien determina cuando se prenden yapagan las llaves (switch) delconvertidor?

ü Conmutados por la red (red de CA)

ü Conmutación forzada o autoconmutados

ü Conmutados por la carga


1.7. Componentes paraconvertidores

ideales - reales

1.7.1. Algunos dispositivossemiconductores de conmutación(suitch, válvula, llave)

¿quien los prende?

¿quien los apaga?

¿en que sentidos conduce?

¿es necesario mantener el comando?


1.7.2. Diodo.

Prende y apaga con la carga. Conducciónunidireccional

1.7.3 . Tiristor

Prende por comando (si la carga lo habilita)y apaga con la carga. Conducciónunidireccional.

A (anodo) K(katodo)

I V V

I

A (anodo) K(katodo)

I

V

V

I

Ig

Ig


1.7.4. Transistor de potenciabipolares - BJT

Prende por comando sostenido (corriente debase), conducción unidireccional.

1.7.5 . Mosfet de potencia

Prende por comando sostenido (tensión debase), conducción inversa por diodoparásito.

G

SD

VDS

Ic

IDS

VDS

Vg

Vg

B

ECV CE

Ic

Ic

V CE

Ib

Ib


1.7.6. IGBT. Insulated gate bipolartransistor

Prende por comando sostenido (tensión debase), conducción unidireccional.

Es el semiconductor de mayordesarrollo actual.

G

ECVCE

Ic

Ic

V CE

Vg

Vg


2.- Convertidores conmutados por laredü Rectificador (AC-DC)ü Conmutados por la red (red de CA)

Ø Rectificador monofásico de mediaonda (una vía) con diodos y cargaresistiva.

Ø Rectificador monofásico de mediaonda (una vía) con diodos, carga decorriente constante y diodo de ruedalibre.

Ø Rectificador monofásico de ondacompleta (dos vías) con diodos y cargade corriente constante.

Ø Rectificador monofásico de ondacompleta (dos vías) con tiristores ycarga de corriente constante.

Ø Rectificador trifásico onda completa(seis pulsos) (dos vías) con diodos ycarga de corriente constante.


2.1 Rectificador monofásico de mediaonda (una vía) con diodos y cargaresistiva.

q Funcionamientoq Tensión media de salida

2.2 Rectificador monofásico de mediaonda (una vía) con diodos, carga decorriente constante y diodo de ruedalibre.


2.3 Rectificador monofásico de ondacompleta (dos vías) con diodos ycarga de corriente constante.



2. 4 Rectificador monofásico de ondacompleta (dos vías) con tiristores ycarga de corriente constante.


2.5 Rectificador trifásico ondacompleta (seis pulsos) (dos vías) condiodos y carga de corriente constante.

q Funcionamientoq Tensión media de salidaq Corriente de líneaq Potencia consumida (DC y AC)q Generalización caso de usar tiristoresq Efectos del convertidor sobre la redü Armónicos de corrienteü Consumo de potencia reactiva


3.- Inversoresü Inversor (DC-AC)ü Conmutación forzada o auto conmutadosü Fuente de tensión - rígido en tensión (VSI:

Voltage source inverter)

Ø Inversor monofásico VSI con dos ramasinversoras

Ø Inversor trifásico VSI con tres ramas inversoras

Ø Laves reales de una rama inversora de un VSI

3. 1 Inversor monofásico VSI con dosramas inversoras

q Carga de corriente alterna inductiva (retrasadarespecto a la tensión)

q Control por desfasaje de la tensión de salidaq Frecuencia de salidaq Tensión eficaz de salidaq Armónicos de tensión de salida


3. 2 Llaves reales de una ramainversora de un VSI

Ø Ej: IGBT - Diodo antiparalelo

3. 3 Inversor trifásico VSI con tresramas inversoras

Ø Diagrama de potenciales


4.- Aplicación integrada: control develocidad de motores de alterna.

Esquema genérico de un variador de frecuencia


Esquema real de un variador de frecuencia

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