Complemento clase 1

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.


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


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.


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.


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



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



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



Hornos de cemento

Ignición electrónica

Iluminación de alta frecuencia

Juegos

Licuadoras

Locomotoras

Mezcladores de alimento

Molinos

Precipitadores electrostáticos

Procesos químicos

Publicidad



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



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



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



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



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

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)


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)


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.


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.


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


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.


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.


Circuito rectificador monofásico


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.


Convertidor monofásico ca-cd


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.


Convertidor monofásico cd-cd


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.


Convertidor monofásico cd-cd


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.


Convertidor monofásico cd-ca


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


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.


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.

Gerson Villa

En acústica y telecomunicaciones, un armónico de una onda es un componente sinusoidal de una señal.


En la siguiente figura se muestra el diagrama de un bloque de un convertidor de potencia generalizado.

Sistema convertidor de potencia generalizado


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

Un modelo inteligente también se conoce como potencia inteligente. Estos módulos se utilizan cada vez más en la electrónica de potencia o industrial.

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