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Electrónica IndustrialClase 1 29-01-2014
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Durante muchos años la necesidad de controlar la potencia eléctrica de los sistemas de tracción y de los controles industriales impulsados por motores eléctricos. La electrónica industrial ha revolucionado la idea de control para la conversión de potencia y para el control de los motores eléctricos.
La electrónica industrial combina la energía, la electrónica y el control. El control se encarga del régimen permanente y de las características dinámicas de los sistemas de lazo cerrado. La energía tiene que ver con el quipo de potencia estática rotativa y giratoria, para la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado solido requeridos en el procesamiento de señales para cumplir con los objetivos de control deseados.
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Por lo tanto la electrónica Industrial se puede definir como la aplicación de la electrónica de estado solido para el control y la conversión de la energía eléctrica. En la figura 1 se muestra la interrelación de la electrónica industrial con la energía, la electrónica y el control.
PotenciaControl Analógico | Digital
Control Analógico | Digital Control Analógico | Digital
Electrónica
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
La electrónica industrial se basa, en primer termino, en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo de la tecnología de los semiconductores de potencia, las capacidades de manejo de energía y la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia han mejorado tremendamente. El desarrollo de la tecnología de los microprocesadores-microcomputadoras tiene un gran impacto sobre el control y la síntesis de la estrategia de control para los dispositivos semiconductores de potencia. El equipo de electrónica industrial moderno utiliza (1) semiconductores de potencia que pueden compararse con el musculo, y (2) microelectrónica, que tiene el poder y la inteligencia del cerebro.
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
La electrónica industrial ha alcanzado ya un lugar importante en la tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia, que incluyen controles de calor, controles de iluminación, controles de motor, fuentes de alimentación, sistemas de propulsión de vehículos y sistemas de corriente directa de alto voltaje.
Resulta difícil trazar los limites de las aplicaciones de la electrónica de potencia; en especial con las tendencias actuales de desarrollo de los dispositivos de potencia y los microprocesadores, el limite superior esta aun indefinido. En la tabla 1.1 se muestran algunas aplicaciones de la electrónica de potencia.
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Abre puertas eléctricas
Acondicionamiento de aire
Alarmas
Alarmas contra robo
Amplificadores de Audio
Arrancadores para turbinas de gas
Atenuadores
Atenuadores luminosos
Calderas
Calefacción por inducción
Cargador de batería
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Centelladores luminosos
Charolas para calentar alimentos
Cobijas eléctricas
Computadoras
Conductores
Controles de Calor
Controles lineales de motor de inducción
Corriente directa de alto voltaje
Crisoles
Electrodeposito eelctromecanico
Electrodomesticos
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Electroimanes
Elevadores
Estibadores
Excitadores de generador
Exhibidores
Fuentes de alimentación para aeronaves
Fuentes de alimentación para laser
Grabaciones magnéticas
Grúas y tornos
Herramientas eléctricas
Herramientas manuales de potencia
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Electroimanes
Elevadores
Estibadores
Excitadores de generador
Exhibidores
Fuentes de alimentación para aeronaves
Fuentes de alimentación para laser
Grabaciones magnéticas
Grúas y tornos
Herramientas eléctricas
Herramientas manuales de potencia
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Hornos de cemento
Ignición electrónica
Iluminación de alta frecuencia
Juegos
Licuadoras
Locomotoras
Mezcladores de alimento
Molinos
Precipitadores electrostáticos
Procesos químicos
Publicidad
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Puertas de cochera automaticas
Pulsador
Relevadores de engache
Secadoras de ropa
Secadoras eléctricas
Vehículos eléctricos
Ventiladores
Ventiladores eléctricos
Fuentes de alimentación para radar/sonar
Transito masivo
Minería
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Control de hornos
Controles de motor
Circuitos de televisión
Fuentes de alimentación
Compensación de voltamperios reactivos
Perforación de pozos petroleros
Generadores Ultrasónicos
Propulsores motores
Maquinas dispensadoras automáticas
Interruptores estáticos
Bombas y compresores
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Fonógrafos
Fotocopias
Controles de señales de transito
Transmisores de muy baja frecuencia
Deflectores de televisión
Trenes de laminación
Sistemas de seguridad
Trenes miniatura
Amplificadores de radio frecuencia
Fuentes de alimentación de energía solar
Soldadura
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Material fotográfico
Lavadoras
Juguetes
Producción de Papel
Sistemas servo
Trenes
Arranque de maquinas síncronas
Proyectores de cine
Reguladores de voltaje
Fuentes de poder para aplicaciones espaciales
Temporizadores
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Maquinas de cocer
Aceleradores de partículas
Magnetos o electroimanes
Fibras sintéticas
Relevadores de estado solido
Aspiradoras de vacío
Transportadores de personas
Unidad superficial de rango
Barra de control de reactor nuclear
Reguladores
Contadores de estado solidoRefrigeradores
Aplicaciones de la electrónica de Potencia
Dispositivos semiconductores de potencia
A partir de 1970 se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial. Estos se pueden dividir en cinco tipos principales:
1. Diodos de Potencia
2. Tiristores
3. Transistores Bipolares (BJT)
4. MOSFET de Potencia
5. Transistores Bipolares de Compuerta Aislada (IGBT) y transistores de inducción estáticos (SIT)
Dispositivos semiconductores de potencia
A su vez los tiristores se pueden subdividir en ocho tipos:
1. Tiristor de conmutación forzada
2. Tiristor conmutado en línea
3. Tiristor desactivado por compuerta (GTO)
4. Tiristor de conducción inversa (RCT)
5. Tiristor de inducción estático (SITH)
6. Tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT)
7. Rectificador controlado de silicio fotoactivo (LASCR)
8. Tiristores controlados por MOS (MCT)
Dispositivos semiconductores de potencia
Los transistores de inducción estáticos también están disponibles en forma comercial.
Los diodos de potencia son de tres tipos:
1. De uso general
2. De alta velocidad (o de recuperación rápida) y
3. Schottky
Tiristor
El tiristor es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación.
Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores.
Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.
El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada.
Tiristor
Representación Física
Tiristor
Símbolo
Formas de activar un tiristor
Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.
Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.
Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse.
Formas de activar un tiristor
Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo.
Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.
Funcionamiento básico
El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. Este principio básico puede observarse también en el diodo Shockley.
Aplicaciones
Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes, también son comúnmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o desconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de forma síncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducir corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la necesidad de replicación de la modulación de la puerta. En este momento el dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No se debe confundir con la operación simétrica, ya que la salida es unidireccional y va solamente del cátodo al ánodo, por tanto en sí misma es asimétrica.
Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control en controladores accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por ancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna.
Aplicaciones
La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para controlar la tensión de entrada proveniente de una fuente de tensión, como un enchufe, por ejemplo. A comienzo de los ’70 se usaron los tiristores para estabilizar el flujo de tensión de entrada de los receptores de televisión en color.
Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna, es decir, para transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en este punto los tiristores onduladores o inversores), para la realización de conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos.
Otras aplicaciones comerciales son en electrodomésticos (iluminación, calentadores, control de temperatura, activación de alarmas, velocidad de ventiladores), herramientas eléctricas (para acciones controladas tales como velocidad de motores, cargadores de baterías), equipos para exteriores (aspersores de agua, encendido de motores de gas, pantallas electrónicas...)
Especificaciones de Dispositivos semiconductores de Potencia
Tipo Especificación de voltaje/corriente
Alta frecuencia (Hz)
Tiempo de conmutación
Resistencia en estado activo
Diodos Uso general 5000V/5000 A 1k 100 0.16m
Alta velocidad 3000V/1000 A 10k 2-5 1m
Schottky 40V /60 A 20k 0.23 10m
Tiristores desactivados en forma forzada
De bloqueo inverso 5000 V/5000 A 1k 200 0.25m
Alta velocidad 1200 V/1500 A 10k 20 0.47m
Bloqueo inverso 2500 V/400 A 5k 40 2.16m
Conducción inversa 2500 /1000 A 5k 40 2.1m
GATT 1200 V/ 400 A 20k 8 2.24m
Disparo lumínico 6000 V/1500 A 400 200-400 0.53m
TRIAC 1200V /300 A 400 200-400 3.57m
Tiristores desactivados automáticamente
GTOSITH
4500V /3000 A4000V /2200 A
10k20k
156.5
2.5m5.75m
Especificaciones de Dispositivos semiconductores de Potencia
Tipo Especificación de voltaje/corriente
Alta frecuencia (Hz)
Tiempo de conmutación
Resistencia en estado activo
Transistores de Potencia
Individual 400V /250 A 20k 9 4m
400V /40A 20k 6 31m
630V /50A 25k 1.7 15m
Darlington 1200V/400A 10k 30 10m
SIT 1200V/300A 100k 0.55 1.2
MOSFET de potencia
Individual 500V/V8.6 A 100k 0.7 0.6
1000V /4.7 A 100k 0.9 2
500V /50A 100k 0.6 0.4m
IGBT Individual 1200 V/400A 20k 2.3 60m
MCT Individual 600V/60A 20k 2.2 18m
Características y Símbolos de algunos dispositivos de potencia
Características de Control de los dispositivos de potencia
Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden operar como interruptores mediante la aplicación de señales de control a la terminal de compuerta de los tiristores (y a la base de los transistores bipolares).
La salida requerida se obtiene mediante la variación del tiempo de conducción de estos dispositivos de conmutación.
En la siguiente figura se muestran los voltajes de salida y las características de control de los dispositivos de interrupción de uso común.
Características de Control de los dispositivos de potencia
Características de Control de los dispositivos de potencia
Una vez que un tiristor esta en modo de conducción, la señal de la compuerta ya sea positiva o negativa no tiene efecto, esto se muestra en la figura a.
Cuando un dispositivo semiconductor de potencia esta en modo de conducción normal, existe una pequeña caída de voltaje a través del mismo. En las formas de onda de voltaje de salida, estas caídas se consideran despreciables.
Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden clasificar
1. Activación y desactivación sin control (por ejemplo diodo)
2. Activación controlada y desactivación sin control (por ejemplo SCR)
3. Características de activación y desactivación controladas (por ejemplo BJT, MOSFET, GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT)
4. Requisito de señal continua en la compuerta (por ejemplo SCR, GTO, MCT).
5. Requisito de pulso en compuerta (por ejemplo SCR, GTO. MCT)
6. Capacidad de soportar voltajes bipolares (SCR, GTO)
7. Capacidad de soportar voltajes unipolares (BJT, MOSFET, GTO. IGBT, MCT)
8. Capacidad de corriente bidireccional (TRIAC, RCT)
Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden clasificar
9. Capacidad de corriente unidireccional (SCR, GTO, BJT, MOSFET, MCT, IGBT, SITH, SIT, diodo)
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Para el control de la potencia eléctrica o del acondicionamiento de la misma, es necesario convertir la potencia de una forma u otra, las características de interrupción de los dispositivos de potencia permiten dicha conversión.
Los convertidores de potencia estáticos llevan a cabo estas funciones de conversión de potencia. Un convertidor se puede considerar como una matriz de conmutación.
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Los circuitos electrónicos de potencia se pueden clasificar en seis tipos:
1. Rectificadores de diodo
2. Convertidores ca-cd (rectificadores controlados)
3. Convertidores ca-cd (controladores de voltaje de ca)
4. Convertidores ca-cd (pulsadores de cd)
5. Convertidores cd-ca (inversores)
6. Interruptores estaticos
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Los dispositivos de los convertidores siguientes se utilizan únicamente para ilustrar los principios básicos.
La acción de interrupción de un convertidor puede ser llevada a cabo por más de un dispositivo.
La selección de un dispositivo en particular dependerá del voltaje, al corriente y los requisitos de velocidad del convertidor.
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Rectificadores. Un circuito rectificador de diodos convierte el voltaje de ca en un voltaje fijo de cd como se muestra en la figura. El voltaje de entrada al rectificador puede ser monofásico o trifásico.
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Circuito rectificador monofásico
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Convertidores ca-cd. Un convertidor monofásico con dos tiristores de conmutación natural aparece en al siguiente figura. El valor promedio del voltaje de salida se puede controlar variando el tiempo de conducción de los tiristores o el ángulo de retraso de disparo, . La entrada puede ser monofásica o trifásica. Estos convertidores se conocen como rectificadores controlados.
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Convertidor monofásico ca-cd
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Convertidores ca-ca. Estos convertidores se utilizan para obtener un voltaje de salida de corriente alterna variable a partir de una fuente de corriente alterna fija, la figura muestra un convertidor monofásico con un TRIAC. El voltaje de salida se controla mediante la variación del tiempo de conducción de un TRIAC o el ángulo de disparo, . Estos tipos de convertidores se conocen como controladores de voltaje de ca.
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Convertidor monofásico cd-cd
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Convertidores cd-cd. Un convertidor cd-cd también se conoce como un pulsador o un regulador de conmutación, en la figura aparece un pulsador de transistor. El voltaje promedio de salida se controla mediante la variación del tiempo de conducción , del transistor Si es el periodo de corte, entonces . se conoce como el ciclo de trabajo del pulsador.
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Convertidor monofásico cd-cd
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Convertidores cd-ca. Un convertidor de cd a ca también se conoce como un inversor. Un inversor monofásico de transistor se muestra en la figura. Silos transistores conducen durante medio periodo, y conducen la otra mitad, el voltaje de salida tiene una forma alterna. El voltaje de salida puede ser controlado variando el tiempo de conducción de los transistores.
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Convertidor monofásico cd-ca
Tipos de circuitos electrónicos de potencia
Interruptores estáticos. Dado que los dispositivos de potencia pueden ser operados como interruptores estáticos o contactores, la alimentación a estos interruptores puede ser de ca o de cd y se conocen como interruptores de ca o interruptores de cd.
Diseños de un equipo de electrónica de potencia
El diseño de un equipo de electrónica industrial se puede dividir en cuatro partes:
1. Diseño de los circuitos de potencia
2. Protección de los dispositivos de potencia
3. Determinación de la estrategia de control
4. Diseño de los circuitos lógicos y de mando
Diseños de un equipo de electrónica de potencia
Posteriormente describiremos y analizaremos varios tipos de circuitos electrónicos de potencia.
En el análisis se supone que los dispositivos de potencia son interruptores ideales, a menos que se indique lo contrario, despreciándose los efectos de la inductancia de dispersión de circuitos, la resistencia del circuito y la inductancia de la fuente.
Los dispositivos y circuitos de potencia prácticos difieren de estas condiciones ideales quedando los diseños de los circuitos también afectados.
Sin embargo, en las primeras etapas del diseño, resulta muy útil el análisis simplificado del circuito para comprender la operación del mismo y para establecer las características y la estrategia de control.
Diseños de un equipo de electrónica de potencia
Antes de elaborar un prototipo, el diseñador deberá investigar los efectos de los parámetros del circuito (y las imperfecciones de los dispositivos) modificando el diseño, si es necesario.
Sólo después de que se haya construido y probado el prototipo, el diseñador podrá confiar en la validez del mismo y podrá estimar con más exactitud algunos de los parámetros del circuito (por ejemplo la inductancia de dispersión).
Efectos Periféricos
Las operaciones de los convertidores de potencia se basan principalmente en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia; y como resultado, los convertidores introducen armónicas de corriente y voltaje en el sistema de alimentación y en la salida de los convertidores.
Esto puedo originar problemas de distorsión del voltaje de salida, generación de armónicas en el sistema de alimentación e interferencia con circuitos de comunicación y señalización.
Normalmente es necesario introducir filtros en la salida y en la entrada de un sistema convertidor, para reducir a una magnitud aceptable el nivel de las armónicas.
Efectos Periféricos
En la siguiente figura se muestra el diagrama de un bloque de un convertidor de potencia generalizado.
Sistema convertidor de potencia generalizado
Efectos Periféricos
Las cantidades de entrada y salida de los convertidores pueden ser ca o cd. Factores tales como la distorsión armónica total (THD), el factor de desplazamiento (HF) y el factor de potencia de entrada (IPF) son medidas de la calidad de una forma de onda. A fin de determinar estos factores, es necesario encontrar el contenido armónico de las formas de onda.
Para evaluar el rendimiento de un convertidor, los voltajes/corrientes de entrada y de salida de un convertidor se expresan en series de Fourier. La calidad de un convertidor de potencia se juzga por la calidad de sus formas de onda de voltaje y corriente.
Módulos de Potencia
Los dispositivos de potencia están disponibles como unidades individuales o como módulos. A menudo un convertidor de potencia requiere de dos, cuatro o seis dispositivos, dependiendo de su topología.
Los módulos de potencia con dual (en configuración de medio puente), quad (en puente completo), o seis (trifásicos) están disponibles para prácticamente todos los tipos de dispositivos de potencia.
Los módulos ofrecen las ventajas de menores perdidas en estado activo, altas características de interrupción de voltaje y corriente y una velocidad más alta que la de los dispositivos convencionales.
Algunos módulos incluyen circuitería para la protección de transistores y de la excitación de compuerta.
Módulos Inteligentes
Los circuitos de excitación de compuerta están disponibles comercialmente para excitar dispositivos individuales o módulos. Los módulos inteligentes, que representan el caso más avanzado de la electrónica de potencia, integran el modulo de potencia junto con el circuito periférico.
El circuito periférico está formado por un aislamiento de entrada/salida de una interfaz con el sistema de la señal y el sistema de alto voltaje, un circuito de excitación, un circuito de protección y de diagnostico (para evitar una corriente excesiva, corto circuito, carga abierta, sobrecalentamiento y voltaje excesivo), control por microcomputadora y una alimentación de energía de control.
Los usuarios solo necesitan conectar las fuentes de alimentación externas (flotantes).
Módulos Inteligentes
Los circuitos de excitación de compuerta están disponibles comercialmente para excitar dispositivos individuales o módulos. Los módulos inteligentes, que representan el caso más avanzado de la electrónica de potencia, integran el modulo de potencia junto con el circuito periférico.
El circuito periférico está formado por un aislamiento de entrada/salida de una interfaz con el sistema de la señal y el sistema de alto voltaje, un circuito de excitación, un circuito de protección y de diagnostico (para evitar una corriente excesiva, corto circuito, carga abierta, sobrecalentamiento y voltaje excesivo), control por microcomputadora y una alimentación de energía de control.
Los usuarios solo necesitan conectar las fuentes de alimentación externas (flotantes).
Módulos Inteligentes
Un modelo inteligente también se conoce como potencia inteligente. Estos módulos se utilizan cada vez más en la electrónica de potencia o industrial.