Conversión electrónica de potencia (MEI)

Prof. Juan Manuel Hernández Cid, PhDProf. Juan Manuel Hernández Cid, PhDj.hernandez@ieee.org, Cubículo 23, edificio E, Cubículo 23, edificio E

Diseño de circuitos electrónicos de Diseño de circuitos electrónicos de potencia (MDE) potencia (MDE)

Objetivo generalAl término del curso, el alumno tendrá la capacidad necesaria para el diseño de circuitos electrónicos de potencia fundamentales y el desarrollo innovador de sistemas electrónicos de potencia incluyendo la realización física, caracterización y prueba de los dispositivos y los sistemas, aplicando la experimentación e integración de tecnologías emergentes en el campo de la electrónica de potencia.

ContenidoIntroducción a los convertidores electrónicos de potencia.Desempeño y selección de semiconductores de potencia. Consideraciones térmicas de semiconductores de potencia. Diseño de rectificadores y reguladores de potencia.Diseño de troceadores y fuentes de conmutación.Diseño de onduladores o inversores.Desarrollo innovador de sistemas electrónicos de potencia.

Textos

Textos

Introducción Sociedad global con problemas globales: la globalización. Este fenómeno mundial ofrece nuevas oportunidades e importantes desafíos. Para enfrentarlos de manera más eficaz y eficiente, conviene una revisión global de la época actual buscando construir una sociedad más justa y humana.

IntroducciónLa electrónica industrial ofrece una amplio conjunto de tecnologías tendientes tanto a la generación de energía eléctrica por fuentes alternas y su aprovechamiento más eficiente como a la modernización de las empresas.Estas alternativas permiten al menos mitigar algunos de los principales problemas de la humanidad.

¿Qué es la Electrónica de

Potencia?

Electrónica Industrial

Electrónica Industrial"The Industrial Electronics Society through its members encompasses a diverse range of technical activities devoted to the application of electronics and electrical sciences for the enhancement of industrial and manufacturing processes. These technical activities address the latest developments in intelligent and computer control systems, robotics, factory communications and automation, flexible manufacturing, data acquisition and signal processing, vision systems, and power electronics. " : IEEE Industrial Electronics Soc.

Electrónica de Potencia“Esta tecnología abarca el uso de componentes electrónicos, la aplicación de la teoría de circuitos y técnicas de diseño, y el desarrollo de herramientas analíticas para la conversión electrónica eficiente, el control, y el acondicionamiento de la energía eléctrica”: IEEE Power Electronics Society (PELS)

Especialista en Electrónica de Potencia

El perfil de un especialista sería aquel técnico capaz de diseñar interruptores de potencia, calcular bobinas y transformadores, modelar sistemas, conocer el comportamiento dinámico, diseñar lazos de control, emplear microprocesadores, microcontroladores, procesadores de señal y circuitos integrados específicos.

Ofrece solucionesLa electrónica industrial ofrece una amplio conjunto de tecnologías para: La modernización de las empresas. La generación de energía eléctrica por

fuentes alternas y su aprovechamiento más eficiente.

Estas alternativas permiten, si no solucionar, al menos mitigar muchos de los principales problemas de la humanidad.

Nivel de importanciaAproximadamente el 40% de la potencia generada en países desarrollados es procesada en alguna etapa por sistemas convertidores electrónicos de potencia.Semiconductor GTO :

6000 A , 6000 VToshiba SG600JX26

ImpactoLa rapidez de respuesta de los convertidores electrónicos de potencia ofrece un mejor desempeño de los sistemas de control.

El empleo de convertidores permite el uso eficiente de la energía eléctrica y aprovechar fuentes no convencionales de generación de energía eléctrica.

Fuentes de generación de energía

PetróleoCarbónEnergía nuclearFuentes renovables: Hidroeléctrica Biomasa Eoloeléctrica Maremotríz Energía solar Geotérmica Celdas de combustibleConservación y uso eficiente de energía

La energía eléctricaLa energía eléctrica se produce principalmente en centrales termoeléctricas mediante la combustión de petróleo, combustible primario no renovable.

Las emisiones contaminantes, los problemas de requerimiento de agua, los efectos ecológicos y el efecto climático de invernadero que por la combustión del petróleo se producen son de enorme consideración.

El uso eficiente de la energía: alternativa a su generación

Aprovechar eficientemente la energía tiene notables ventajas Económicas

Ofrece mayor competitividad y valor agregado

Ambientales Permite menor contaminación atmosférica

Sociales Se obtiene mejora en la calidad de vida

Control de potencia

T

ccc dttituT

P0

)()(1

1. Regulación de tensión2. Regulación de impedancia3. Regulación por conexión/desconexión

Interruptores para control de potencia

Características de potencia:

Interruptor cerrado: v(t) = 0

Interruptor abierto: i(t) = 0

En cualquier caso: p(t) = v(t) i(t) = 0

El interruptor ideal consume cero potencia

Elementos disponibles para el diseñador

resistor capacitor magnéticos

modo lineal

semiconductores

modo switcheo

Elementos disponibles para el diseñador

resistor capacitor magnéticos

modo lineal

semiconductores

modo switcheo

Ejemplo

¿Cuánto dura operando el equipo con una batería plenamente cargada?

Áreas de aplicaciónControl de luminariasFuentes de alimentaciónAutomatización industrial: Variadores de velocidad para cargas variables. Control de demanda. Control del factor de potencia. Calidad de la energía eléctrica.

TransporteAlmacenamiento de energíaMultimegawatt: Controladores Transmisión y distribución

Control de luminarias.

Control digital de iluminación para el foro de televisión del ITESO

Aplicación de una metodología de diseño para el desarrollo de sistemas electrónicos de potencia y presentación de un ejemplo.

Diseño de una balastra electrónica utilizando un convertidor resonante controlado por microcontrolador.

Estrategias de Control en Lámparas de Alta Presión para la Eliminación de Resonancias Acústicas

CENIDET

Fuentes de alimentación

Desarrollo de una fuente conmutada para amplificación de audio en un ambiente automotriz

Sistema de iluminación de emergencia basado en lámparas fluorescentes

Automatización industrial

Diseño y construcción de un sistema de control de factor de potencia en motores de inducción, usando microprocesador (1983)

Automatización industrial

Sistema de medición del desplazamiento axial de un horno giratorio

Mesa para simulación de sismos

Automatización industrial

Control difuso de un regulador de voltaje por modulación de ancho de pulso del vector espacial para control directo de torque de máquinas de inducción

Variador de velocidad para motores de c.a.

Automatización industrial

Control Multifuncional para Motores Eléctricos de Inducción 10-50 HP

Transporte

Toyota Prius 2004 $20,810 usd, 60/51/55 mpg, 76+67 HP

Control digital de un convertidor destinado a un auto híbrido (1987)Proyecto del LAAS del CNRS

Honda Civic 2004 $19,650 usd, 46/51 mpg, 85+13.4 HP

Vehículos híbridos

Transporte

Merlín ITESO 2000 vel: 35 km/h

moldeco: vehículo de distribución.

Trolebús en el centro de Gdl.Vehículos eléctricos

Transporte

Diseño de un variador de velocidad con frenado dinámico regenerativo para motor de inducción, aplicado a vehículos eléctricos.

Producción, almacenamiento y aprovechamiento de la energía

Módulo SR90: 12/6 V, 5.4/10.8 A, 90 W (1.498x0.594 m)

Sistema fotovoltáico comercial para la población huichola de San Miguel Waisxtita, Jal.

Multimegawatt

Módulo de HVDC (High Voltage Direct Current)

Detailed analysis of a multi-pulse STATCOM

CINVESTAV-IPN Guadalajara

Interconexión entre Francia e Inglaterra mediante cable submarino a alta tensión en c.d. (270 kV, 2000 MW) convertidos a c.a. (400 kV, 50 Hz).

Conversión de energía eléctrica

A partir de C.A. Cargadores de baterías. Excitadores de máquinas eléctricas. Reguladores de velocidad de motores C.C.

de hasta 1 MW Rectificadores para procesos

electroquímicos de hasta 1 MW y corrientes de hasta 300,000 A.

Fuentes de alimentación de electroimanes para la física de altas energías de hasta varias decenas de MW.

Subestaciones de interconexión de redes de alta tensión de C.A. mediante líneas de C.C. de hasta 40,000 MW.

Reguladores de velocidad de motores de C.A. a frecuencia y tensión variable de hasta 6 MVA.

A partir de C.C. Alimentaciones regulables de C.C.

variable. Reguladores de máquinas de C.C. en

tracción ferroviaria de hasta 4 MW Alimentaciones de emergencia en C.A.

de hasta 100 KW. Alimentaciones ininterrumpidas de hasta

1 MW. Alimentaciones en alta frecuencia para

hornos de inducción, equipos de ozono, trampas de polvos.

Alimentaciones de frecuencia y tensión variables para máquinas de C.A., de hasta 500 KW para máquinas de inducción y hasta 50 MW para máquinas síncronas.

Características generales de un convertidor

Mejores características eléctricas (rapidez de respuesta)Mayor rendimiento de operación o eficienciaMayor fiabilidad y tiempo de vidaCarencia práctica de mantenimientoAusencia de vibracionesAusencia de arcos eléctricos

Convertidores electrónicos de

potenciaCircuito

de potencia

Circuito de control

Entrada Salida

Clasificación de convertidores

TIPO DE CONVERTIDOR FUNCION CONVERTIDORA

1.- RECTIFICADOR C.A. a C.C.

2.- TROCEADOR (CHOPPER) C.C. a C.C.

3.- ONDULADOR o INVERSOR C.C. a C.A.

4.- CICLOCONVERTIDOR y CONTROLADOR DE C.A.

C.A. a C.A.

5.- CONVERTIDOR INDIRECTO DE FRECUENCIA

C.A. a C.C. y luego a C.A.

6.- CONVERTIDOR INDIRECTO DE TENSION

C.C. a C.A. y luego a C.C.

Tipos de convertidores

E 1

E 2

v 1 , f1

v 2 , f2

1

5

42

6

3

Tipos de convertidores electrónicos de potencia

CA / CC CC / CC

CA / CA CC / CA

Rectificador Regulador de continua

•Cicloconvertidor•Regulador de alterna

InversorOndulador

Tendencias futurasDispositivos más eficientes y compactosIntegración de sistemasAplicaciones automotricesConfiabilidad térmica

Módulo PM100CVA120 100 A, 1200 V

Algunos desarrollos industriales clave

Industria aeroespacial Reemplazar los actuadores hidráulicos por actuadores

eléctricosIndustria automotriz sistemas drive-by-wire, steer-by-wire y brake-by-wire;

sistema eléctrico dual 42V/12VIndustria de manufactura motores polifásicos ventajosos sobre los trifásicos con

menores pulsaciones de torque, mayor tolerancia a fallas y elevada eficiencia

Políticas de ahorro y calidad de la energía y preocupaciones sobre el cambio climático global

Proyectos Tecnológicos IEEE 2004

DaimlerChrysler Sprinter Van:

15 personas con un presupuesto de $1 525 000.00 USD

Consumo anual de gasolina para 59 km por día promedio

Proyectos Tecnológicos IEEE 2004

Superconductor Motors:

U.S. Office of Naval Research, 25 personas con un presupuesto de $78 millones USD para dos motores de 5 MW

Proyectos Tecnológicos IEEE 2004

HY-WIRE

GM, 500 personas con presupuesto de más de $1 billón usd

FAILED

ActualidadTren eléctrico por levitación magnética logra el día 2 de diciembre 2003, el record mundial de velocidad con 581 km/h sobre una línea de 18.4 km longitud en Tokio, Japón

TransporteTransrapid de Alemania (450 kph)

MLX01 de Japón (548 kph)

Trenes por levitación magnética

Hacia una nueva revoluciónLos transistores de señal y circuitos integrados base de la moderna época computacional pueden considerarse como una 1a. revolución tecnológica. Ahora, los conjuntos de semiconductores de alta potencia emergentes prometen una 2a. revolución:

La electrónica de potencia jugará un rol crítico en el empleo eficiente de la energía y en la automatización industrial global en este siglo XXI

¿Dónde se puede encontrar la información

sobre los nuevos avances?

Congresos internacionales IEEE Power Electronics Specialists Conference(PESC) IEEE Applied Power Electronics Conference (APEC) IEEE Industry Applications Society Annual Meeting

(IASAM) IEEE International Telecommunications Energy

Conference (INTELEC) IEEE International Conference on Industrial

Electronics Control and Instrumentation (IECON) IEEE International Power Electronics Congress (CIEP) European Conference on Power Electronics and

Applications (EPE) Power Electronics Drives Motion Contol (PCIM) IEE International Conference on Power Electronics

and Variable Speed Drives (PEVD)

Revistas internacionales IEEE Transactions on Power Electronics IEEE Transactions on Industry Applications IEEE Transactions on Industrial Electronics IEEE Transactions on Aerospace and

Electronic Systems IEEE Transactions on Electron Devices IEE Proceedings, part B European Power Electronics and Drives Power Conversion and Intelligent Motion

Europe Magazine