Introducción

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  • Curso de Convertidores Electrónicos de Potencia de la Maestría en Electrónica Industrial.
  • Contenido del curso Convertidores Electrónicos de Potencia de la Maestría en Electrónica Industrial.
  • World Largest GTO Toshiba semi-conductor technology facilitates improvement of self-commutated converters. Since development of the 600V-200A GTO in 1976, voltage and current ratings have been increased rapidly. Toshiba has manufactured the world's largest GTO in the following two decades. Their excellent characteristics in addition to their large ratings have pushed Toshiba's world market share of GTOs to the top. The latest rating has reached 6kV-6kA with the largest wafer of 150mm in diameter. http://www.atals.com/newtic/hvdc_fc.htm
  • con capacidad para manejar 128 lámparas de 2 kW
  • Reporte del 18 de octubre de 1999 de Darnell: El mayor mercado en electrónica de potencia es para las fuentes de alimentación que pasan de 9.1 en 1999 a 12.2 billones de dólares en el 2004. Su costo es cada vez menor, por ejemplo para computadoras es de 0.10 dólares por watt.
  • Honda Civic $13,010.00 usd 32/38 mpg, 13.2 gal Honda Civic hybric $19,550.00, 46/51 mpg (650 millas de autonomía) Toyota Prius $20,480.00, 52/45/48 mpg (566 millas de autonomía) mpg x 1.609/3.785 = km/l (mpg X 0.425099 = km/l) http://www.toyota.com/prius/ http://www.hondacars.com/models/
  • La energía por celdas fotovoltáicas tiene un costo de 8 centavos por kWh
  • Introducción

    1. 1. Conversión electrónica de potencia (MEI) Prof. Juan Manuel Hernández Cid, PhD [email_address] , Cubículo 23, edificio E Diseño de circuitos electrónicos de potencia (MDE)
    2. 2. Objetivo general <ul><li>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. </li></ul>
    3. 3. Contenido <ul><li>Introducción a los convertidores electrónicos de potencia. </li></ul><ul><li>Desempeño y selección de semiconductores de potencia. </li></ul><ul><li>Consideraciones térmicas de semiconductores de potencia. </li></ul><ul><li>Diseño de rectificadores y reguladores de potencia. </li></ul><ul><li>Diseño de troceadores y fuentes de conmutación. </li></ul><ul><li>Diseño de onduladores o inversores. </li></ul><ul><li>Desarrollo innovador de sistemas electrónicos de potencia. </li></ul>
    4. 4. Textos
    5. 5. Textos
    6. 6. Introducción <ul><li>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 . </li></ul>
    7. 7. Introducción <ul><li>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 . </li></ul><ul><li>Estas alternativas permiten al menos mitigar algunos de los principales problemas de la humanidad. </li></ul>
    8. 8. ¿Qué es la Electrónica de Potencia?
    9. 9. Electrónica Industrial
    10. 10. Electrónica Industrial <ul><li>&quot;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. &quot; : IEEE Industrial Electronics Soc. </li></ul>
    11. 11. Electrónica de Potencia <ul><li>“ 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) </li></ul>
    12. 12. Especialista en Electrónica de Potencia <ul><li>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. </li></ul>
    13. 13. Ofrece soluciones <ul><li>La electrónica industrial ofrece una amplio conjunto de tecnologías para: </li></ul><ul><ul><li>La modernización de las empresas . </li></ul></ul><ul><ul><li>La generación de energía eléctrica por fuentes alternas y su aprovechamiento más eficiente. </li></ul></ul><ul><li>Estas alternativas permiten, si no solucionar, al menos mitigar muchos de los principales problemas de la humanidad. </li></ul>
    14. 14. Nivel de importancia <ul><li>Aproximadamente el 40% de la potencia generada en países desarrollados es procesada en alguna etapa por sistemas convertidores electrónicos de potencia. </li></ul><ul><li>Semiconductor GTO : </li></ul><ul><li>6000 A , 6000 V </li></ul><ul><li>Toshiba SG600JX26 </li></ul>
    15. 15. Impacto <ul><li>La rapidez de respuesta de los convertidores electrónicos de potencia ofrece un mejor desempeño de los sistemas de control. </li></ul><ul><li>El empleo de convertidores permite el uso eficiente de la energía eléctrica y aprovechar fuentes no convencionales de generación de energía eléctrica. </li></ul>
    16. 16. Fuentes de generación de energía <ul><li>Petróleo </li></ul><ul><li>Carbón </li></ul><ul><li>Energía nuclear </li></ul><ul><li>Fuentes renovables: </li></ul><ul><ul><li>Hidroeléctrica </li></ul></ul><ul><ul><li>Biomasa Eoloeléctrica </li></ul></ul><ul><ul><li>Maremotríz Energía solar </li></ul></ul><ul><ul><li>Geotérmica Celdas de combustible </li></ul></ul><ul><li>Conservación y uso eficiente de energía </li></ul>
    17. 17. La energía eléctrica <ul><li>La energía eléctrica se produce principalmente en centrales termoeléctricas mediante la combustión de petróleo, combustible primario no renovable. </li></ul><ul><li>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. </li></ul>
    18. 18. El uso eficiente de la energía: alternativa a su generación <ul><li>Aprovechar eficientemente la energía tiene notables ventajas </li></ul><ul><ul><li>Económicas </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Ofrece mayor competitividad y valor agregado </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Ambientales </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Permite menor contaminación atmosférica </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Sociales </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Se obtiene mejora en la calidad de vida </li></ul></ul></ul>
    19. 19. Control de potencia
    20. 20. 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. 21. Elementos disponibles para el diseñador resistor capacitor magnéticos modo lineal semiconductores modo switcheo
    22. 22. Elementos disponibles para el diseñador resistor capacitor magnéticos modo lineal semiconductores modo switcheo
    23. 23. Ejemplo ¿Cuánto dura operando el equipo con una batería plenamente cargada?
    24. 24. Áreas de aplicación <ul><li>Control de luminarias </li></ul><ul><li>Fuentes de alimentación </li></ul><ul><li>Automatización industrial: </li></ul><ul><ul><li>Variadores de velocidad para cargas variables. </li></ul></ul><ul><ul><li>Control de demanda. </li></ul></ul><ul><ul><li>Control del factor de potencia. </li></ul></ul><ul><ul><li>Calidad de la energía eléctrica. </li></ul></ul><ul><li>Transporte </li></ul><ul><li>Almacenamiento de energía </li></ul><ul><li>Multimegawatt: </li></ul><ul><ul><li>Controladores </li></ul></ul><ul><ul><li>Transmisión y distribución </li></ul></ul>
    25. 25. Control de luminarias. 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. Estrategias de Control en Lámparas de Alta Presión para la Eliminación de Resonancias Acústicas CENIDET
    26. 26. 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
    27. 27. Automatización industrial Diseño y construcción de un sistema de control de factor de potencia en motores de inducción, usando microprocesador (1983)
    28. 28. Automatización industrial Sistema de medición del desplazamiento axial de un horno giratorio Mesa para simulación de sismos
    29. 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. 30. Automatización industrial Control Multifuncional para Motores Eléctricos de Inducción 10-50 HP
    31. 31. Transporte Toyota Prius 2004 $20,810 usd, 60/51/55 mpg, 76+67 HP Control digital de un convertidor destinado a un auto híbrido (1987) Proyecto del LAAS del CNRS Honda Civic 2004 $19,650 usd, 46/51 mpg, 85+13.4 HP Vehículos híbridos
    32. 32. Transporte Merlín ITESO 2000 vel: 35 km/h moldeco : vehículo de distribución. Trolebús en el centro de Gdl. Vehículos eléctricos
    33. 33. Transporte Diseño de un variador de velocidad con frenado dinámico regenerativo para motor de inducción, aplicado a vehículos eléctricos.
    34. 34. Producción, almacenamiento y aprovechamiento de la energía Módulo SR90: 12/6 V, 5.4/10.8 A, 90 W (1.498x0.594 m) Sistema fotovoltáico comercial para la población huichola de San Miguel Waisxtita, Jal.
    35. 35. Multimegawatt Módulo de HVDC (High Voltage Direct Current) Detailed analysis of a multi-pulse STATCOM CINVESTAV-IPN Guadalajara 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).
    36. 36. Conversión de energía eléctrica <ul><li>A partir de C.A. </li></ul><ul><ul><li>Cargadores de baterías. </li></ul></ul><ul><ul><li>Excitadores de máquinas eléctricas. </li></ul></ul><ul><ul><li>Reguladores de velocidad de motores C.C. de hasta 1 MW </li></ul></ul><ul><ul><li>Rectificadores para procesos electroquímicos de hasta 1 MW y corrientes de hasta 300,000 A. </li></ul></ul><ul><ul><li>Fuentes de alimentación de electroimanes para la física de altas energías de hasta varias decenas de MW. </li></ul></ul><ul><ul><li>Subestaciones de interconexión de redes de alta tensión de C.A. mediante líneas de C.C. de hasta 40,000 MW. </li></ul></ul><ul><ul><li>Reguladores de velocidad de motores de C.A. a frecuencia y tensión variable de hasta 6 MVA. </li></ul></ul><ul><li>A partir de C.C. </li></ul><ul><ul><li>Alimentaciones regulables de C.C. variable. </li></ul></ul><ul><ul><li>Reguladores de máquinas de C.C. en tracción ferroviaria de hasta 4 MW </li></ul></ul><ul><ul><li>Alimentaciones de emergencia en C.A. de hasta 100 KW. </li></ul></ul><ul><ul><li>Alimentaciones ininterrumpidas de hasta 1 MW. </li></ul></ul><ul><ul><li>Alimentaciones en alta frecuencia para hornos de inducción, equipos de ozono, trampas de polvos. </li></ul></ul><ul><ul><li>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. </li></ul></ul>
    37. 38. Características generales de un convertidor <ul><li>Mejores características eléctricas (rapidez de respuesta) </li></ul><ul><li>Mayor rendimiento de operación o eficiencia </li></ul><ul><li>Mayor fiabilidad y tiempo de vida </li></ul><ul><li>Carencia práctica de mantenimiento </li></ul><ul><li>Ausencia de vibraciones </li></ul><ul><li>Ausencia de arcos eléctricos </li></ul>
    38. 39. Convertidores electrónicos de potencia Circuito de potencia Circuito de control Entrada Salida
    39. 40. Clasificación de convertidores TIPO DE CONVERTIDOR FUNCION CONVERTIDORA 1.- RECTIFICADOR C.A. a C.C. 2.- TROCEADOR (CHOPPER) C.C. a C.C. 3.- ONDULADOR o INVERSOR C.C. a C.A. 4.- CICLOCONVERTIDOR y CONTROLADOR DE C.A. C.A. a C.A. 5.- CONVERTIDOR INDIRECTO DE FRECUENCIA C.A. a C.C. y luego a C.A. 6.- CONVERTIDOR INDIRECTO DE TENSION C.C. a C.A. y luego a C.C.
    40. 41. Tipos de convertidores
    41. 42. Tipos de convertidores electrónicos de potencia CA / CC CC / CC CA / CA CC / CA Rectificador Regulador de continua <ul><li>Cicloconvertidor </li></ul><ul><li>Regulador de alterna </li></ul>Inversor Ondulador
    42. 43. Tendencias futuras <ul><li>Dispositivos más eficientes y compactos </li></ul><ul><li>Integración de sistemas </li></ul><ul><li>Aplicaciones automotrices </li></ul><ul><li>Confiabilidad térmica </li></ul>Módulo PM100CVA120 100 A, 1200 V
    43. 44. Algunos desarrollos industriales clave <ul><li>I ndustria aeroespacial </li></ul><ul><ul><li>Re emplazar los actuadores hidráulicos por actuadores eléctricos </li></ul></ul><ul><li>Industria automotriz </li></ul><ul><ul><li>sistemas drive-by-wire , steer-by-wire y brake-by-wire; sistema eléctrico dual 42V/12V </li></ul></ul><ul><li>Industria de manufactura </li></ul><ul><ul><li>motores polifásicos ventaj osos sobre los trifásicos con menores pulsaciones de torque, mayor tolerancia a fallas y elevada eficiencia </li></ul></ul><ul><li>P olíticas de ahorro y calidad de la energía y preocupaciones sobre el cambio climático global </li></ul>
    44. 45. 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
    45. 46. 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
    46. 47. Proyectos Tecnológicos IEEE 2004 HY-WIRE GM, 500 personas con presupuesto de más de $1 billón usd FAILED
    47. 48. 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
    48. 49. Transporte Transrapid de Alemania (450 kph) MLX01 de Japón (548 kph) Trenes por levitación magnética
    49. 50. 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
    50. 51. ¿ Dónde se puede encontrar la información sobre los nuevos avances?
    51. 52. Congresos internacionales <ul><li>IEEE Power Electronics Specialists Conference(PESC) </li></ul><ul><li>IEEE Applied Power Electronics Conference (APEC) </li></ul><ul><li>IEEE Industry Applications Society Annual Meeting (IASAM) </li></ul><ul><li>IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC) </li></ul><ul><li>IEEE International Conference on Industrial Electronics Control and Instrumentation (IECON) </li></ul><ul><li>IEEE International Power Electronics Congress (CIEP) </li></ul><ul><li>European Conference on Power Electronics and Applications (EPE) </li></ul><ul><li>Power Electronics Drives Motion Contol (PCIM) </li></ul><ul><li>IEE International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives (PEVD) </li></ul>
    52. 53. Revistas internacionales <ul><li>IEEE Transactions on Power Electronics </li></ul><ul><li>IEEE Transactions on Industry Applications </li></ul><ul><li>IEEE Transactions on Industrial Electronics </li></ul><ul><li>IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems </li></ul><ul><li>IEEE Transactions on Electron Devices </li></ul><ul><li>IEE Proceedings, part B </li></ul><ul><li>European Power Electronics and Drives </li></ul><ul><li>Power Conversion and Intelligent Motion Europe Magazine </li></ul>

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