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Robert Piqué López. Electrónica de potencia
Prefacio
Prólogo
ÍNDICE
I - FUNDAMENTOS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA. 1 Introducción a la Electrónica de Potencia. Resumen
Objetivos del capítulo
1.1. ¿Qué es la Electrónica de Potencia? 1.1.1. Una primera definición
1.1.2. Caminos de potencia
Ejercicio 1.1
1.1.3. Interruptores
1.2. Clasificación de los convertidores estáticos. 1.2.1. Clasificación funcional
1.2.2. Clasificación según el cuadrante de funcionamiento
1.3. El interruptor como elemento constitutivo básico del convertidor estático
1.4. Estado actual y tendencias en los interruptores comerciales. 1.4.1. Breve reseña histórica
1.4.2. Estado actual de los interruptores comerciales de semiconductor
1.4.3. Tendencias en los dispositivos de potencia
1.5. Ámbitos de aplicación de la Electrónica de Potencia. 1.5.1. Naturaleza interdisciplinar de la Electrónica de Potencia
1.5.2. Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
1.6. Conclusiones
1.7. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos
Referencias
Notas al pie
2 Principios básicos. Resumen
Objetivos del capítulo
2.1. Definiciones previas
2.1.1. Magnitudes de interés
2.1.2. Algunas definiciones
2.2. Elementos circuitales. 2.2.1. Elementos pasivos y activos
2.2.2. Fuentes de tensión y de corriente
2.2.3. Resistores
Ejercicio E2.1
2.2.4. Condensadores
2.2.5. Inductores
2.2.6. Acoplamiento magnético. Transformador
2.3. Leyes y teoremas. 2.3.1. Solución de un circuito
2.3.2. Leyes y teoremas
Ejercicio E2.2
Ejercicio E2.3
Ejercicio E2.4
Ejercicio E2.5
Ejercicio E2.6
2.3.3. Concepto de recta de carga
2.3.4. Dualidad
2.4. Regímenes transitorios. 2.4.1. Introducción
2.4.2. Circuitos de primer orden
2.4.3. Circuitos de segundo orden
2.5. Series de Fourier. Transformada de Fourier. 2.5.1. Series de Fourier
2.5.2. Dominio del tiempo y dominio de la frecuencia
Ejercicio E2.7
2.5.3. Transformada de Fourier
2.6. Potencias en un régimen periódico. 2.6.1. Potencias en un régimen sinusoidal permanente
2.6.2. Potencias en un régimen no sinusoidal permanente
2.7. Conclusiones
2.8. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos
Referencias
Notas al pie
3 Interruptores y conmutación. Resumen
Objetivos del capítulo
3.1. El interruptor ideal. 3.1.1. Visión física del interruptor ideal
Ejercicio 3.1
Solución
Ejercicio 3.2
Solución
3.1.2. Visión operativa del interruptor ideal Diagrama de transición de estados
Ejercicio 3.3
Solución
3.2. Caracterización estática de los interruptores. 3.2.1. Introducción
3.2.2. Modelización resistiva del interruptor
3.2.3. Clasificación de los interruptores atendiendo a su característica estática
Solución
3.3. Caracterización dinámica de los interruptores. 3.3.1. Característica dinámica
Ejercicio 3.5
Solución
3.3.2.Clasificación de los interruptores atendiendo a su característica dinámica
3.4. Estudio del proceso de conmutación. 3.4.1. Introducción
3.4.2. Las pérdidas durante el proceso de conmutación
3.4.3. Control del proceso de conmutación Conmutación suave
3.4.4. Aproximaciones a la conmutación suave
3.5. Caracterización completa de los interruptores Diagramas de transición de estados. 3.5.1. Caracterización completa de los interruptores
3.5.2. Diagrama de transición de estados de interruptores básicos
3.5.3. Diagrama de transición de estados de asociación de interruptores
3.6. Síntesis básica de estructuras empleando interruptores. 3.6.1. Presentación
3.6.2. Estructuras básicas de los convertidores estáticos
3.6.3. Sobre las características de reversibilidad de las fuentes
3.6.4. Introducción a la síntesis elemental de estructuras de conversión
Ejercicio 3.8
Solución
Ejercicio 3.9
Ejercicio 3.10
Solución:
3.7. Conclusiones
3.8. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos
Referencias
II-CONVERTIDORES ESTÁTICOS ESTRUCTURAS. 4 Convertidores continua-continua. Resumen
Objetivos del capítulo
4.1. Introducción. Clasificación
4.2. Estructuras básicas de los troceadores de un cuadrante. 4.2.1. Convertidor tensión-corriente de un cuadrante
4.2.2. Convertidor corriente-tensión de un cuadrante
4.2.3. Convertidor tensión-tensión de un cuadrante
4.2.4. Convertidor corriente-corriente de un cuadrante
4.3. Troceadores sin aislamiento galvánico de un cuadrante
4.3.1. Montaje reductor de tensión (buck o step-down)
a)Carga activa
b) Carga pasiva
Ejercicio 4.1
Solución
4.3.2. Troceador E/U 1Q elevador de tensión (boost o step-up)
Ejercicio 4.2
Solución
4.3.3. Montaje reductor-elevador de tensión (buck-boost)
Ejercicio 4.3
Solución
Ejercicio 4.4
Solución
4.3.4Convertidor de Ćuk
Ejercicio 4.5
Solución
Ejercicio 4.6
Solución
4.4. Troceadores de dos y cuatro cuadrantes Reversibilidad
4.4.1Troceador reversible en corriente
4.4.2Troceador reversible en tensión
4.4.3Troceador reversible en tensión y corriente: montaje en puente completo (full-bridge)
4.5. Troceadores con aislamiento galvánico de un interruptor controlado
4.5.1Convertidor de retroceso (flyback)
Ejercicio 4.7
Solución
4.5.2. Convertidor directo (forward)
Ejercicio 4.8
Solución
4.6. Convertidores CC-CC con aislamiento y diversos interruptores
Ejercicio 4.9
Solución
4.6.1. Convertidor forward con dos interruptores
4.6.2. Convertidor flyback con dos interruptores
4.6.3. Convertidor en contrafase (push-pull)
4.6.4. Convertidor en medio puente (half-bridge)
4.6.5. Convertidor en puente completo (full-bridge)
4.7. Resumen de características de los convertidores CC-CC
4.7.1. Estructuras básicas sin aislamiento galvánico
4.7.2. Estructuras de un interruptor controlado con aislamiento galvánico
4.7.3. Estructuras con aislamiento galvánico de varios interruptores controlados
4.8. Sobre el control de los convertidores CC-CC
4.8.1. Generación de la señal de control Modulador por coincidencia
4.8.2. Seguimiento de la ley de control: Tracking
Ejercicio 4.10
Solución:
4.8.3. La problemática en lazo abierto
4.9. Conclusiones
4.10. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos
Referencias
Notas al pie
5 Convertidores continua-alterna. Resumen
Objetivos del capítulo
5.1. Conceptos generales. 5.1.1. El convertidor continua-alterna (CC-CA). Concepto
5.1.2. Distorsión armónica
Ejercicio 5.1
5.1.3. Aproximaciones temporal y frecuencial al problema de la ondulación
5.1.4. Clasificación de los onduladores de enlace directo
5.2. Onduladores monofásicos de cuadrada y cuasi-cuadrada. 5.2.1. Estructura en medio puente (half-bridge)
Ejercicio 5.2
Ejercicio 5.3
5.2.2. Configuración en puente completo (full-bridge)
Ejercicio 5.4
Ejercicio 5.5
5.3. Sobre el control de la rama onduladora. 5.3.1. Estructura general del control de un interruptor
5.3.2. Introducción de tiempos muertos en las señales de control
5.3.3. Introducción de aislamiento
5.4. Onduladores monofásicos con modulación de ancho de pulsos sinusoidal sincrónica. 5.4.1. Consideraciones iniciales
5.4.2. Onduladores monofásicos con conmutación SSPWM bipolar
Ejercicio 5.6
Ejercicio 5.7
5.4.3. Onduladores monofásicos con conmutación SSPWM unipolar
Ejercicio 5.8
5.4.4. Atenuación de armónicos en los onduladores mediante filtros de salida
Ejercicio 5.9
5.4.5. Eliminación programada de armónicos
Ejercicio 5.10
Ejercicio 5.11
Ejercicio 5.12
5.4.6. Potencias en los onduladores monofásicos modulados SSPWM
5.5. Onduladores trifásicos de enlace directo. 5.5.1. Generalidades
5.5.2. Onduladores de tensión trifásicos de cuasi-cuadrada
5.5.3. Conmutadores de corriente trifásicos de cuasi-cuadrada
5.5.4. Onduladores trifásicos modulados SSPWM
5.6. Conclusiones
5.7. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos. 5.7.1 Definir, de forma concisa y, si conviene, con ayuda de algún gráfico explicativo, los siguientes conceptos:
5.7.2 Utilizando técnicas de síntesis de convertidores (apartado 3.6 de esta obra) dedúzcanse las siguientes estructuras y los interruptores adecuados. Dichas estructuras deberán estar constituidas, en cada caso, por baterías de acumuladores e interruptores formados por diodos y transistores
5.7.3 Un ondulador monofásico en medio puente está alimentado por una batería de 120 V y un divisor capacitivo, y alimenta una carga R-L, siendo R = 5 Ω y L = 6,4 mH a 50 Hz. En relación a este sistema, de componentes ideales, y asumiendo un funcionamiento en régimen sinusoidal permanente, se pide:
5.7.4 Un ondulador de tensión en puente completo está alimentado por una batería de 42 V, y debe entregar, a una carga inductiva (R = 2Ω y L = 6,4 mH) a una frecuencia de 50 Hz, una potencia útil de 250 W, con una distorsión armónica total en corriente inferior al 10%. Considerando componentes ideales, se pide:
5.7.5 Considérese el mismo ondulador del ejercicio anterior y las mismas necesidades de potencia y distorsión en la carga. ¿Es posible conseguir esos valores de potencia útil y DATi utilizando una eliminación programada de armónicos y salida bipolar?
5.7.6 Considérese el mismo ondulador del ejercicio 5.7.4 y las mismas necesidades de potencia y distorsión en la carga. ¿Es posible conseguir esos valores de potencia útil y DATi utilizando una eliminación programada de armónicos y salida unipolar?
5.7.7 Considérense los resultados globales obtenidos en los ejercicios 5.7.4, 5.7.5 y 5.7.6. Compárense los resultados obtenidos, y lléguese a una conclusión relativa al diseño concluido en cada caso considerando aspectos como el tamaño del sistema o la dificultad de su control. ¿Qué diseño puede considerarse mejor?
5.7.8 El esquema PSIM indicado en la figura 5.59 se corresponde con un ondulador monofásico alimentado por una tensión de batería E = 48 V que se utiliza para alimentar una carga R-L serie (R = 2 Ω y L = 6,4 mH)
5.7.9 Los desfibriladores ventriculares son unos dispositivos de reanimación médica utilizados para tratar la parada cardiorrespiratoria por fibrila-ción (el corazón tiene actividad eléctrica pero no mecánica) mediante la aplicación de un impulso eléctrico al corazón del paciente con el fin de despolarizar las moléculas del mismo y recuperar el ritmo cardíaco. Un tipo actual de desfibrilador portátil aplica, en la caja torácica del paciente, una descarga eléctrica pulsante, bipolar y amortiguada con la finalidad de aplicar determinada energía (de entre 200 J a 300 J) al paciente. Para tal fin se aplica al paciente una descarga bipolar de 100 Hz con un valor de pico inicial de tensión, Vp, de entre 500 V y 2000 V y durante un tiempo que puede oscilar entre 5 ms y 20 ms . Es habitual que el primer pulso aplicado al paciente presente un valor inicial Vp y un valor final 0,35 Vp. Véase la figura 5.60
5.7.10 El sistema indicado en la figura 5.61 corresponde al de un grupo de conversión estática de energía eléctrica utilizado para controlar por tensión y frecuencia constante, un motor de inducción trifásico en jaula de ardilla cargado con un elemento mecánico de potencia constante
Referencias
6 Convertidores alterna-continua. Resumen
Objetivos del capítulo
6.1. Conceptos preliminares. 6.1.1. Introducción
6.1.2. Clasificación. a) Definición previa: conmutador positivo y conmutador negativo
Ejercicio 6.1
Solución
b) Clasificación
6.2. Rectificador monofásico de media onda controlado (P1)
6.2.1. La conmutación
6.2.2. Estudio de la tensión y la corriente en la carga. a) Valores instantáneos de la tensión y la corriente en la carga
b) Valores medios de la tensión y la corriente en la carga
Ejercicio 6.2
6.2.3. Funcionamiento como ondulador
6.2.4. Estabilidad del funcionamiento como ondulador
6.3. Rectificadores polifásicos de media onda controlados (Pq) 6.3.1. Modos de conducción discontinua, continua y crítica
6.3.2. La conmutación en modo de conducción continua
6.3.3. Medida de los ángulos en los rectificadores
6.3.4. Tensión en la carga y en los semiconductores
6.3.5. Corriente en los semiconductores y en el secundario del transformador
Ejercicio 6.3
Solución
6.3.6. Factor de potencia en el secundario del transformador
6.3.7. Corriente y factor de potencia en el primario del transformador
Ejercicio 6.4
Solución
Ejercicio 6.5
Solución
6.3.8. Reversibilidad
6.4. Rectificadores polifásicos de onda completa controlados, con secundario de transformador en estrella (PDq)
6.4.1. La conmutación
6.4.2. Tensión en la carga y en los semiconductores
6.4.3. Corriente en los semiconductores y corriente en el secundario del transformador
6.4.4. Factor de potencia en el secundario del transformador
6.4.5. Corriente y factor de potencia en el primario del transformador
Ejercicio 6.6
Solución
Ejercicio 6.7
Solución
6.5. Rectificadores polifásicos de onda completa controlados, con secundario de transformador en polígono (Sq)
6.5.1. La conmutación
6.5.2. Tensión en la carga y en los semiconductores
6.5.3. Corriente en los semiconductores y corriente en el secundario del transformador
6.5.4. Factor de potencia en el secundario del transformador
6.5.5. Corriente y factor de potencia en el primario del transformador
Ejercicio 6.8
Solución
6.6. Las diferentes potencias en un rectificador Mejora del factor de potencia. 6.6.1. Potencias activa, reactiva y de distorsión
6.6.2. Mejora del factor de potencia mediante rectificadores semicontrolados
6.6.3. Mejora del factor de potencia mediante la conexión en serie de rectificadores
Ejercicio 6.9
Solución
6.7. Caídas de tensión en los rectificadores. 6.7.1. La característica Umed (Imed)
6.7.2. Causas que provocan caídas de tensión en los rectificadores
6.7.3. Caída provocada por las inductancias (Δ1Umed)
6.7.4. Caída provocada por las resistencias (Δ2Umed)
6.7.5. Caída provocada por los semiconductores (Δ2Umed )
Ejercicio 6.10
Solución
6.8. Funcionamiento en cortocircuito
6.8.1. Corriente de cortocircuito
6.8.2. Factor de cortocircuito
6.9. Conexionado serie y paralelo de rectificadores
6.9.1. Conexión en serie de rectificadores
6.9.2. Conexión en paralelo de rectificadores
6.10. Sobre el control de los convertidores CA-CC
6.10.1. Generación de la señal de control de fase
6.10.2. Seguimiento (tracking) de la señal de control
6.11. Comparación de convertidores CA-CC
6.11.1. Comparación de rectificadores con diodos
6.11.2. Comparación de rectificadores controlados
6.12. Conclusiones
6.13. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos
Referencias
7 Convertidores alterna-alterna. Resumen
Objetivos del capítulo
7.1. Introducción
7.2. Variador de corriente alterna monofásico con control de fase
7.2.1. Variador de corriente alterna monofásico con carga resistiva
Ejercicio 7.1
Solución
7.2.2. Variador de corriente alterna monofásico con carga resistivo-inductiva
Ejercicio 7.2
Solución
Ejercicio 7.3
Solución
7.3. Variadores de corriente alterna trifásicos con control de fase. 7.3.1. Variador de corriente alterna trifásico controlado
Ejercicio 7.4
Solución
7.3.2. Variador de corriente alterna trifásico semicontrolado
7.3.3. Conexión en triángulo de tres variadores de corriente alterna monofásicos controlados
7.3.4. Conexión en triángulo de tres variadores de corriente alterna monofásicos semicontrolados
7.3.5. Otras conexiones
7.3.6. Sobre el control de fase de los convertidores CA-CA
7.4. Variadores de corriente alterna con control de ciclo integral
7.4.1. Tensión en la carga
7.4.3. Factor de potencia. Potencias activa y de distorsión
Ejercicio 7.5
7.5. Cicloconvertidores
7.5.1. Principio de funcionamiento
7.5.2. Tensión de salida
7.5.3. A modo de ejemplos
7.6. Convertidores matriciales. 7.6.1. Definición y principio funcional
7.6.2. Matrices de conmutación en un convertidor matricial 3x3
7.6.3. Algunos ejemplos
Ejercicio 7.6
Solución
7.7. Conclusiones
7.8. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos
Referencias
III - EL CONVERTIDOR ESTÁTICO EN LAZO CERRADO. 8 Introducción al control de convertidores en lazo cerrado. Resumen
Objetivos del capítulo
8.1. Conceptos generales. 8.1.1. Sistema realimentado
Ejercicio 8.1
8.1.2. Parámetros de control. Paradoja del error nulo
8.1.3. Acciones básicas de control. Compensadores
Ejercicio 8.2
8.1.4. Regulación, estabilidad y respuesta dinámica
8.2. Convertidores alimentados en CC. Control por modulación. 8.2.1. Consideraciones generales
8.2.2. Control en lazo cerrado en modo de tensión
Ejercicio 8.3
8.2.3. Configuraciónfeedforward
8.2.4. Control en cascada
Ejercicio 8.4
8.2.5. Control en modo de corriente
Ejercicio 8.5
8.2.6. Control por onda de referencia en convertidores CC-CA
8.3. Convertidores alimentados en CA. Control de fase. 8.3.1. Control de puerta. Sincronismo de red
8.3.2. Control de fase en lazo abierto
8.3.3. Rectificadores con tiristores en lazo cerrado. Control en modo tensión
8.3.4. Variadores de alterna en lazo cerrado. Control en modo tensión
8.4. Conclusiones
8.5. Cuestiones de repaso y ejercicios propuestos
Referencias
