Tema 2 Accionamientos Elctricos Convertidores electrnicos para motores

Tema 2. Accionamientos Eléctricos Convertidores electrónicos para motores dc INDICE DEL TEMA 1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia 2. Convertidores electrónicos de potencia ac/dc. 3. Convertidores electrónicos de potencia dc/dc. Profesora: Mónica Chinchilla Sánchez Universidad Carlos III. Dpto. Ing. Eléctrica. Ingeniería Industrial, 5º curso 1

1. Introducción Máquinas cc. Movimiento Motor (I) Frenado regenerativo (II) 2

1. Introducción Máquinas cc: pueden operar en los 4 cuadrantes Tem wm 3

1. Introducción CA/CC CC/CC CA/CA CA CC CC/CA 4

1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia IGCT Transistores bipolares (BJT) Son muy fáciles de controlar. Las pérdidas en conducción son reducidas, ya que la caída de tensión en conducción se encuentra normalmente entre 1 y 2 V. Las pérdidas de conmutación son moderadas, por lo que la frecuencia máxima de conmutación está alrededor de 3 k. Hz. No soporta potencias muy elevadas: las máximas tensiones e intensidades disponibles son 1. 400 V y 300 A. 5

1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia IGCT Transistores MOSFET Son muy fáciles de controlar. Presenta unas pérdidas de conmutación reducidas, por lo que la frecuencia de conmutación puede ser superior a 100 k. Hz. Por el contrario, sus pérdidas en conducción son elevadas. Con los transistores MOSFET se pueden alcanzar tensiones de unos cuantos centenares de voltios e intensidades de decenas de amperios. El transistor MOSFET es más caro que el transistor bipolar, pero son una alternativa en aplicaciones de baja tensión en caso de que se desee una elevada frecuencia de conmutación. 6

1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia IGCT 7

1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia IGCT Transistores IGBT El IGBT es la combinación de un MOSFET y un bipolar. Precisa sólo dos pequeños impulsos de corriente para encenderlo o apagarlo. El IGBT tiene un tamaño reducido y bajo coste de fabricación. La caída de tensión en conducción es reducida e independiente de la corriente, por lo que sus pérdidas en conducción son también bajas, aunque casi de valor doble de las que se dan en un transistor bipolar. Las pérdidas de conmutación de los IGBT son algo mayores que las de los otros tipos de transistores mencionados debido a la corriente de cola en el bloqueo. 8

1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia IGCT Transistores IGBT La frecuencia máxima de conmutación de los IGBT es de 20 k. Hz. Otro inconveniente consiste en su reducida capacidad para soportar derivadas de tensión elevadas. Las tensiones e intensidades límites de los IGBT son 3300 V y 1200 A. Se utilizan donde sea necesario aumentar la frecuencia de conmutación, por ejemplo, en aquellos casos donde se requiera reducir la frecuencia por debajo de la audible. 9

1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia IGCT Tiristores El tiristor es el semiconductor de potencia más robusto y fiable, ya que, a diferencia del transistor, puede soportar elevadas sobreintensidades durante tiempos reducidos. La principal ventaja del tiristor es que soporta grandes tensiones e intensidades (hasta 5. 000 V y 5. 000 A). Tiene una caída de tensión directa baja (entre 1 y 3 V), por lo que las pérdidas de conducción son reducidas. Su frecuencia de operación está limitada a 1 k. Hz. Inconveniente: no se puede apagar directamente mediante una señal de puerta, por lo que precisa de una red de apagado que someta al tiristor a una tensión inversa (cátodoánodo), (inversor conmutado por red). Su aplicación ha quedado limitada al caso de convertidores de potencia elevada en los que la conmutación de los tiristores es auxiliada por la carga (inv. en fuente de corriente)10

1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia IGCT Tiristores GTO Presenta la ventaja de que se puede apagar mediante un impulso de corriente negativo en su puerta. Su principal inconveniente está en las elevadas pérdidas de conmutación, ya que el impulso que se ha de proporcionar para su apagado tiene una amplitud cinco veces menor, aproximadamente, que la corriente a bloquear. Por el contrario sus pérdidas en conducción son reducidas. Es capaz de manejar grandes tensiones y corrientes (hasta 4. 500 V y 3. 000 A). Su aplicación está limitada a convertidores de frecuencia de elevada potencia con circuito intermedio de tensión. 11

1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia IGCT Tiristores IGCT Los tiristores controlados de puerta aislada (IGCT’s) combinan las cualidades de los tiristores (como la baja resistencia en conducción, o su robustez) con las de los IGBT’s (capacidad de apagado por puerta o los niveles de corriente de saturación). Por ejemplo las pérdidas de potencia por conmutación de un IGCT son entre tres y cuatro veces (depende de la tensión de trabajo) menores que las de un IGBT, mientras que la caída de tensión en conducción es la misma 12

1. Introducción. Dispositivos electrónicos de potencia DIAC TRIAC MT 1 MT 2 G MT 2 MT 1 Símbolo de un TRIAC Símbolo de un DIAC MT 2 MT 1 NC T 1 SCR 1 T 2 G MT 2 Equivalente de un TRIAC NC SCR 2 MT 2 Equivalente de un DIAC 13

2. Convertidores electrónicos ca/cc Rectificador 14

2. Convertidores electrónicos ca/cc Rectificador 15

2. Convertidores electrónicos ca/cc Definiciones (repaso) Valor medio: Valor eficaz: eficaz 16

2. Convertidores electrónicos ca/cc Terminales ca. Series de Fourier de la tensión vca y de la corriente ica (en general los valores medios Vo, Io suelen ser nulos): Valores eficaces de la tensión y de la corriente superiores al primero: siendo Vrms el valor eficaz de la tensión, V 1 del primer armónico de la tensión, Irms de la corriente e I 1 del primer armónico de corriente. Tasas de distorsión armónica de tensión y corriente: , 17

2. Convertidores electrónicos ca/cc 1. Rectificador monofásico no controlado 18

2. Convertidores electrónicos ca/cc 1. Rectificador monofásico no controlado (caso R puro) Valores medios Valores eficaces 19

2. Convertidores electrónicos ca/cc 1. Rectificador monofásico no controlado (caso R puro) 20

2. Convertidores electrónicos ca/cc 2. Rectificador trifásico no controlado + U DC = 1 2 p 6 ò × × 2 × VL × cos wt × dt = 3 2 VL = 1, 35× V L p siendo VL el valor eficaz de la tensión de línea. El valor eficaz de la onda de corriente es: I= 1 T ò 2 i ×dt = 1 p ò i 2 ×dt = 2 × I CC = 0, 817 × I CC 3 2 Tanto el factor de potencia como la relación entre la tensión en la etapa de c. c. y la tensión en la etapa de c. a están dadas 21

2. Convertidores electrónicos ca/cc 3. Rectificador monofásico controlado de tiristores. Caso resistivo puro 22

2. Convertidores electrónicos ca/cc 3. Rectificador monofásico controlado de tiristores. Caso resistivo puro Valores medios de tensión y corriente: Valores eficaces de tensión y corriente: Siendo: 23

2. Convertidores electrónicos ca/cc 3. Rectificador monofásico controlado de tiristores. Caso resistivo puro VALORES EFICACES FACTORES DE RIZADO Rizado de tensión: rv=Vr/Vo Rizado de corriente: ri=Ir/Io 24

2. Convertidores electrónicos ca/cc 3. Rectificador monofásico controlado de tiristores. Caso general. 25

2. Convertidores electrónicos ca/cc 4. Rectificador trifásico controlado de tiristores 26

2. Convertidores electrónicos ca/cc 4. Rectificador trifásico controlado de tiristores =0 >0 27

2. Convertidores electrónicos ca/cc 4. Rectificador trifásico controlado de tiristores Variando el valor del ángulo a entre 0° y 90° es posible conseguir diferentes valores de tensión de salida comprendidos entre 1, 35 U*l V y 0 V Igualamos potencia a la entrada y a la salida bajo el supuesto de que el rectificador no tiene pérdidas en los tiristores: 28

2. Convertidores electrónicos ca/cc 5. Puente rectificador por IGBT’s Mediante un rectificador controlado de IGBT’s es posible controlar dos variables del sistema Además, con una adecuada modulación de los pulsos de disparo de los transistores del puente, es posible conseguir una corriente en la máquina (a la que alimenta) con un contenido en armónicos muy reducido. El convertidor es reversible, es decir la transferencia de potencia puede ser en ambos sentidos. 29

3. Convertidores electrónicos cc/cc 30

3. Convertidores electrónicos cc/cc Características del troceador o chopper Permite variar y controlar el valor medio de la tensión continua (Vo) con la que alimentamos una carga, mediante una entrada de tensión continua constante o variable (VDC) Pueden trabajar en los 4 cuadrantes (Vo , Io); lo mas frecuente es que trabajen en el cuadrante I, o bien en los cuadrantes I y II. 31

3. Convertidores electrónicos cc/cc Ventajas y desventajas de los choppers 32

3. Convertidores electrónicos cc/cc Tipos de choppers y cuadrantes de funcionamiento 33

3. Convertidores electrónicos cc/cc Tipos de choppers 34

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo (forward) 35

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo (forward) 36

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo (forward) δ: razón de conducción (0≤δ≤ 1) 37

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Valor medio de la corriente en la carga (Io) Y si E=0 Si se cumplen las condiciones para que la corriente a la salida sea máxima, entonces: Y si E=0 38

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Corriente instantánea en régimen permanente (io). , Para 39

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Valor eficaz de la corriente en la carga en el GTO y en el diodo (operación continua). Así: 40

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Valor medio de la tensión Vo (operación discontinua). tx Llamamos tx al instante en que la corriente en el diodo se anula 41

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Valor medio de la corriente Io (operación discontinua). 42

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Valores máximos de las corrientes media y eficaz en el GTO 43

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Valores máximos de las corrientes media y eficaz en el diodo Por el diodo la corriente circula en toff=T-ton. Para el cálculo de las corrientes en el diodo se suele asumir io como constante (L muy grande) y E=0: 44

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Calculo de la inductancia de alisado. 45

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Calculo de la inductancia de alisado. Determinar Lalisado =Ltotal-L para que: 46

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Cálculo de la inductancia de alisado. 47

3. Convertidores electrónicos cc/cc Chopper directo. Calculo de la inductancia de alisado. 48