Conversin electrnica de potencia MEI

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Conversión electrónica de potencia (MEI)
Diseño de circuitos electrónicos de potencia
(MDE)
Prof. Juan Manuel Hernández Cid,
PhD j.hernandez_at_ieee.org, Cubículo 23, edificio E
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Objetivo general

• Al 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.

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Contenido

• Introducción 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.

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Textos
5
Textos
6
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.

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Introducción

• La 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.

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Qué es la Electrónica de Potencia?
9
Electrónica Industrial
10
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.

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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)

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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.

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Ofrece soluciones

• La 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.

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Nivel de importancia

• Aproximadamente 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 V
• Toshiba SG600JX26

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Impacto

• La 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.

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Fuentes de generación de energía

• Petróleo
• Carbón
• Energía nuclear
• Fuentes renovables
• Hidroeléctrica
• Biomasa Eoloeléctrica
• Maremotríz Energía solar
• Geotérmica Celdas de combustible
• Conservación y uso eficiente de energía

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La energía eléctrica

• La 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.

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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

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Control de potencia
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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
21
Elementos disponibles para el diseñador
22
Elementos disponibles para el diseñador
23
Ejemplo
Cuánto dura operando el equipo con una batería
plenamente cargada?
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Áreas de aplicación

• Control de luminarias
• Fuentes de alimentación
• Automatización industrial
• Variadores de velocidad para cargas variables.
• Control de demanda.
• Control del factor de potencia.
• Calidad de la energía eléctrica.
• Transporte
• Almacenamiento de energía
• Multimegawatt
• Controladores
• Transmisión y distribución

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Control de luminarias.
Estrategias de Control en Lámparas de Alta
Presión para la Eliminación de Resonancias
Acústicas CENIDET
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.
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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
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Automatización industrial
Diseño y construcción de un sistema de control de
factor de potencia en motores de inducción,
usando microprocesador (1983)
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Automatización industrial
Sistema de medición del desplazamiento axial de
un horno giratorio
Mesa para simulación de sismos
29
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.
30
Automatización industrial
Control Multifuncional para Motores Eléctricos de
Inducción 10-50 HP
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Transporte
Honda Civic 2004 19,650 usd, 46/51 mpg, 8513.4
HP
Control digital de un convertidor destinado a un
auto híbrido (1987) Proyecto del LAAS del CNRS
Toyota Prius 2004 20,810 usd, 60/51/55 mpg,
7667 HP
Vehículos híbridos
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Transporte
moldeco vehículo de distribución.
Merlín ITESO 2000 vel 35 km/h
Vehículos eléctricos
Trolebús en el centro de Gdl.
33
Transporte
Diseño de un variador de velocidad con frenado
dinámico regenerativo para motor de inducción,
aplicado a vehículos eléctricos.
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Producción, almacenamiento y aprovechamiento de
la energía
Sistema fotovoltáico comercial para la población
huichola de San Miguel Waisxtita, Jal.
Módulo SR90 12/6 V, 5.4/10.8 A, 90 W
(1.498x0.594 m)
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Multimegawatt
Detailed analysis of a multi-pulse
STATCOM CINVESTAV-IPN Guadalajara
Módulo de HVDC (High Voltage Direct Current)
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).
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Conversión de energía eléctrica

• 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.

• 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.

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(No Transcript)
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Características generales de un convertidor

• Mejores características eléctricas (rapidez de
  respuesta)
• Mayor rendimiento de operación o eficiencia
• Mayor fiabilidad y tiempo de vida
• Carencia práctica de mantenimiento
• Ausencia de vibraciones
• Ausencia de arcos eléctricos

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Convertidores electrónicos de potencia
40
Clasificación de convertidores
41
Tipos de convertidores
42
Tipos de convertidores electrónicos de potencia
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Tendencias futuras

• Dispositivos más eficientes y compactos
• Integración de sistemas
• Aplicaciones automotrices
• Confiabilidad térmica

Módulo PM100CVA120 100 A, 1200 V
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Algunos desarrollos industriales clave

• Industria aeroespacial
• Reemplazar los actuadores hidráulicos por
  actuadores eléctricos
• Industria automotriz
• sistemas drive-by-wire, steer-by-wire y
  brake-by-wire sistema eléctrico dual 42V/12V
• Industria 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

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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
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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
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Proyectos Tecnológicos IEEE 2004
FAILED
HY-WIRE GM, 500 personas con presupuesto de más
de 1 billón usd
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Actualidad
Tren 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
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Transporte
Transrapid de Alemania (450 kph)
MLX01 de Japón (548 kph)
Trenes por levitación magnética
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Hacia una nueva revolución
Los 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
51
Dónde se puede encontrar la información sobre
los nuevos avances?
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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)

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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