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TECSUP Electrnica Industrial

NDICE

UNIDAD I

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO ............................................................................. 1

UNIDAD II

TIPOS Y PRUEBAS DE ESTADO ...................................................................................... 9

UNIDAD III

SELECCIN DE DISPOSITIVOS DE POTENCIA ........................................................... 41

UNIDAD IV

RECTIFICADORES ............................................................................................................ 52

UNIDAD V

ARRANCADORES ELECTRONICOS .............................................................................. 75

UNIDAD VI

REGULADORES AUTOMATICOS DE TENSION .......................................................... 81

UNIDAD VII

UPS ....................................................................................................................................... 96

UNIDAD VIII

VARIADOR DE VELOCIDAD DE MOTOR AC ............................................................... 109


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Unidad I

PPRRIINNCCIIPPIIOOSS DDEE FFUUNNCCIIOONNAAMMIIEENNTTOO

1. INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA DE POTENCIA

1.1 DEFINICIN

Con el trmino de Electrnica de Potencia se refiere al control y

conversin de la energa elctrica por medio de dispositivos

semiconductores de potencia que trabajan como interruptores. Con la

llegada de los Rectificadores Controlados de Silicio (SCR), se empez a

desarrollar una nueva rea de aplicacin llamada Electrnica de Potencia.

Previamente a la introduccin de los SCRs, los rectificadores de arco de

mercurio eran usados para controlar la energa elctrica, pero su campo

de aplicacin era limitado. Una vez que los SCRs y otros dispositivos de

potencia tales como los transistores MOSFET e IGBT salieron al mercado,

el rea de aplicacin se esparci a muchos campos. Ver figura 1.1

Aplicaciones de los dispositivos de potencia. (Cortesa de Powerex, Inc.)

Electrnica de Potencia TECSUP

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Figura 1.1 En la figura 1.1, se observa que en el plan futuro de desarrollo de nuevos

dispositivos de potencia se tiene la tendencia a incrementar el rango de

potencia a controlar (mayores niveles de voltaje y corriente que puedan

soportar) as como ha incrementar la velocidad de operacin de los

mismos, logrando de este modo reducir el tamao de los equipos (filtros

ms pequeos).

1.2 PRINCIPALES TAREAS DE LA ELECTRNICA DE POTENCIA

La Electrnica de Potencia tiene aplicaciones a lo amplio de todo el campo

de los sistemas elctricos de potencia, con un rango de potencia de estas

aplicaciones extendindose desde unos cuantos VA/Wats a muchos

MVA/MW.

La tarea principal de la Electrnica de Potencia es controlar y convertir la

energa elctrica de una forma a otra. Las cuatro principales formas de

conversin son:

Rectificacin referida a la conversin de voltaje AC a voltaje DC.

Conversin DC a AC.

Conversin DC a DC.

Conversin AC a AC.

2. CONVERTIDORES ELECTRNICOS DE POTENCIA

Es el termino que se usa para referirse a un circuito electrnico que convierte

voltaje y corriente de una forma a otra. Estos convertidores pueden clasificarse

como:

Rectificador, que convierte voltaje AC a voltaje DC.

Inversor, que convierte voltaje DC a Voltaje AC.

Chopper o Fuente de Alimentacin Conmutada, que convierte voltaje DC a

voltaje DC.

Ciclo convertidor, que convierte voltaje AC a voltaje AC.

En suma, los SCRs y otros dispositivos de potencia son usados como

interruptores estticos.

2.1 RECTIFICACIN

Los rectificadores convierten voltaje AC en voltaje DC. Pueden ser

clasificados como controlados y no controlados, y los rectificadores controlados pueden ser luego divididos en semi-controlados y totalmente controlados.


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Los rectificadores no controlados son implementados con diodos, y los

rectificadores totalmente controlados son implementados con SCRs.

Ambos, diodos y SCRs son usados en circuitos rectificadores semi-

controlados.

Ventrada = VAC(valor constante)

Vsalida = VDC(valor constante)

RECTIFICADOR NO CONTROLADO

+

-

Ventrada = VAC(valor constante)

Vsalida = VDC(valor variable)

RECTIFICADOR CONTROLADO

+

-

Figura 1.2

Hay algunas configuraciones de circuitos rectificadores. Los ms

populares son:

Puente rectificador monofsico semi-controlado.

Puente rectificador monofsico totalmente controlado.

Tres fases tres pulsos, rectificador conectado en estrella.

Doble tres fases tres pulsos, rectificador de tres pulsos conectado en

estrella con transformador inter-fase (IPT).

Puente rectificador trifsico semi-controlado.

Puente rectificador trifsico totalmente controlado.

Doble tres fases puente rectificador totalmente controlado con IPT.

Tambin hay rectificadores de 12 pulsos conectados en serie para

aplicaciones de gran potencia de salida.


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El rango de potencia de un rectificador monofsico tiende a ser menor a

10 kW. Los puentes rectificadores trifsicos son usados para desarrollar

grandes potencias de salida, hasta 500kW a 500VDC o an ms.

Hay muchas aplicaciones para rectificadores. Algunos son:

Variadores de velocidad de motores DC.

Cargadores de batera.

Fuentes de alimentacin DC para aplicaciones como electro-plateado.

2.2 ARRANCADORES

La tensin del motor se controla por medio de un principio de corte de

fases. Dos tiristores en cada fase realizan la conmutacin de la

alimentacin, lo que permite que el arrancador pueda manejar elevados

pares de arranque y frecuentes operaciones de arranque/parada. Unos

transformadores de corriente miden la corriente absorbida por el motor y

proporcionan informacin para controlar la corriente de arranque del

motor en un valor constante, as como para numerosas funciones de

proteccin de los motores y sus aplicaciones.

Los arrancadores suaves presentan ventajas en casi todas las aplicaciones

de arranque y parada de motores, por Ejemplo:

Molinos Trituradores

Bombas Bandas transportadoras

Escaleras mecnicas Gras

Mquinas-herramienta Ventiladores

Compresores Agitadores

Decantadores Prensas

2.3 AVR

Las variaciones de voltaje existentes hoy en da hacen que nos

preocupemos por proteger los artculos electrnicos, esto se logra con el

uso de AVR. Estos equipos en su mayora corrigen el valor medio o eficaz

del voltaje de entrada y lo entregan a la carga, algunos equipos agregan

funciones de filtrado de ruido y proteccin contra descargas elctricas y

sobretensiones.

Entre los parmetros que los identifican y distinguen estn: la velocidad

con que corrigen una variacin del voltaje a la entrada (tiempo de

respuesta), el entorno dentro del cual puede variar la tensin de entrada

y obtener correccin, la ventana con que corrigen, y la precisin con que


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lo hacen, por ejemplo al 4% del valor nominal (es decir 220Vac y un error

del 4%) llamado regulacin.

Los distintos tipos son:

Estabilizadores Discretos o paso a paso, o por etapas

Estabilizadores Ferroresonantes

Estabilizadores continuos o servo asistidos.

2.4 UPS

Una UPS (Uninterruptible Power System) es un sistema que provee

energa elctrica ininterrumpida a una carga elctrica determinada, para

realizar esta funcin dispone de tres elementos claves:

Una reserva de energa, que de alguna manera se convertir en

energa elctrica y ser entregada a la carga.

Un elemento capaz de reponer la energa perdida cuando por algn

motivo se utilizo total o parcialmente la reserva.

Un selector para elegir de donde obtiene la energa que le entregara

a la carga, si de la lnea o de la reserva.

2.5 VARIADORES

Hasta hace dos dcadas, el motor elctrico AC se utilizaba a velocidad

constante y condiciones nominales, pero, debido al gran avance

tecnolgico tanto en semiconductores de potencia como en circuitos

integrados microcontroladores capaces de efectuar millones de

operaciones matemticas por segundo, el uso de los variadores de

velocidad para motores AC es una realidad y sus aplicaciones se

extienden a todos los campos de la industria permitiendo tener control

preciso de los procesos de produccin.

Figura 1.3


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3. OBSERVACIONES ADICIONALES A LA ELECTRNICA DE POTENCIA

La mayor cantidad de circuitos de potencia hacen uso intensivo de inductores y

capacitores.

En muchas aplicaciones de electrnica de potencia, un inductor puede recibir una

gran corriente a alta frecuencia. Las implicancias de operar un inductor de dicha

manera, hacen necesario el empleo de cables con acabados especiales, as como

ncleos apropiados para limitar las prdidas respectivas y evitar tambin la

interferencia electromagntica.

Usualmente los capacitores usados en electrnica de potencia son muy robustos,

pues son operados a alta frecuencia y con corrientes de pico pasando a travs

del mismo peridicamente. Esto significa que el rango de trabajo de los

capacitores a la frecuencia de operacin debe ser chequeado antes de su uso.

En muchos circuitos de electrnica de potencia, los diodos cumplen un rol crucial.

Un diodo de potencia normal es diseado para ser operado a frecuencias

menores a 400Hz. La mayora de inversores y fuentes de alimentacin

conmutadas son operadas a frecuencias muy altas y por lo tanto se debe usar

diodos de conmutacin rpida.

El anlisis de los circuitos electrnicos de potencia tiende a ser complicado, a

causa de que estos circuito raramente trabajan en estado estable.

Tradicionalmente la respuesta en estado estable se refiere al estado del circuito

caracterizado por su respuesta en DC y respuesta senoidal. La mayora de los

circuitos electrnicos de potencia tienen respuesta peridica, pero dicha

respuesta no es senoidal. Desde que la respuesta no es senoidal, es necesario

efectuar el anlisis de armnicos.

La electrnica de potencia tiene naturaleza interdisciplinaria. Para disear y

construir circuitos de control de una aplicacin de electrnica de potencia, se

necesita conocimientos de algunas reas tal como se lista lneas abajo:

Diseo de circuitos electrnicos analgicos y digitales.

Microcontroladores y procesadores de seales digitales para su uso en

aplicaciones sofisticadas.

Muchos circuitos electrnicos de potencia tienen una mquina elctrica como

carga. En los variadores de velocidad de motor AC, pueden ser motores de


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reluctancia, motores asncronos o motor sncrono. En un variador de velocidad

de motor DC, son usados los motores DC tipo shunt.

En los circuitos inversores, un transformador puede conectarse a la salida y

tener que trabajar con voltajes no senoidales.

Los transformadores de pulso con ncleo de ferrrita son usados para transferir

la seal de disparo al dispositivo semiconductor de potencia. Transformadores

con ncleo de ferrita de gran potencia de salida es tambin usado en

aplicaciones tal como inversores de alta frecuencia.

Muchos sistemas electrnicos de potencia son operados con realimentacin

negativa. Un controlador lineal tal como el PI es usado en aplicaciones

relativamente simples, mientras que controladores basados en circuitos

digitales o tcnicas de realimentacin de estado variable son usados en

aplicaciones mas sofisticadas.

Los simuladores por computadora son muy usados para optimizar el diseo de

los sistemas electrnicos de potencia.

El estudio de la Electrnica de Potencia es una experiencia excitante pues su

campo de aplicacin crece da a da. Los nuevos dispositivos que ingresan al

mercado, sustancialmente desarrollan su trabajo en aplicaciones de Electrnica

de Potencia.


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ANOTACIONES: ..............................................................................................................................

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