ELECTRÓNICA DE POTENCIA ELECTRÓNICA DE POTENCIA PDF

Preview

Summary

ELECTRÓNICA DE POTENCIA ELECTRÓNICA DE POTENCIA Daniel W. Hart Valparaiso University Valparaiso, Indiana Traducción: Vuelapluma Revisión técnica: Andrés Barrado Bautista Emilio Olías Ruiz Antonio Lázaro Blanco Jorge Pleite Guerra Universidad Carlos UI de Madrid Prentice ---- Hall Madrid. México. Sa...

Description

ELECTRÓNICA DE POTENCIA

ELECTRÓNICA DE POTENCIA Daniel W. Hart Valparaiso University Valparaiso, Indiana

Traducción:

Vuelapluma Revisión técnica:

Andrés Barrado Bautista Emilio Olías Ruiz Antonio Lázaro Blanco Jorge Pleite Guerra Universidad Carlos UI de Madrid

Prentice

---Hall

Madrid. México. Santafé de Bogotá. Buenos Aires. Caracas. Lima. Montevideo San Juan. San José. Santiago. Sao Paulo • White Plains

/

Datos de catalogación bibliográfica

DANIEL W. HART ELECTRÓNICA DE POTENCIA PEARSON EDUCACIÓN, S. A., Madrid, 2001 ISBN: 84-205-3179-0 Materia: Electrónica: 621.3 Formato 195 x 250

Pági nas: 472

No está permitida la reproducción total o parcial de esta obra ni su tratamiento o transmisión por cualquier medio o método sin autorización escrita de la Editorial. DERECHOS RESERVADOS ~) 2001 respecto a la primera edición en español por: PEARSON EDUCACiÓN, S. A. Núñez de Balboa, 120 28006 MADRID DANIEL W. HART INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA ISBN: 84-205-3179-0 Depósito legal: M-37.54l-200l PRENTlCE HALL es un sello editorial autorizado de PEARSON EDUCACiÓN, S. A. Traducido de: Introduction to Power Electronics © 1997, by Prentice-Hall, Ine Simon & Schuster/A Viaeom Company Upper Saddle River, NJ 07458 ISBN 0-02-351182-6 Edición en español: Equipo editorial: Editora: Isabel Capella Asistente editorial: Sonia Ayerra Equipo de producción: Director: José Antonio CIares Técnico: Diego Marín Diseño de cubierta: Mario Guindel, Yann Boix y Lía Sáenz Composición: COPIBOOK Impreso por: Artes Gráficas Cofás

IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN

•

Este libro ha sido impreso con papel y tintas ecológicos

)8

A Linda

,r

CONTENIDO

xv

PRÓlOGO CAPíTULO 1. 1.1. 1.2. 1.3.

lA. 1.5. 1.6.

1.7.

INTRODUCCiÓN

Introducción........................................................................................................ Clasificación de los convertidores Interruptores electrónicos El diodo Tiristores Transistores Selección de los interruptores SPICE y PSpice Il Los interruptores en PSpice El interruptor controlado por tensión Transistores Diodos Dispositivos SCR Problemas de convergencia en PSpice Comparación de resultados de simulación en PSpice

I

l 2 3 3 4 5 8 8 10 10 II II 13 14 15

Bibliografía

15

Problemas

16

VIII

Contenido

CAPíTULO 2. CÁLCULOS DE POTENCIA . 2.1. Introducción . 2.2. Potencia y energía . Potencia instantánea . Energía . Potencia media . 2.3. Bobinas y condensadores . 2.4. Recuperación de la energía .. Transistor en conducción: O < t < t 1 .. Transistor en corte: t 1 < t < T . Transistores en conducción: O < t < t 1 . Transistores en corte: t 1 < t < T .. 2.5. Valor eficaz o valor cuadrático medio .. 2.6. Potencia aparente y factor de potencia .. La potencia aparente, S . Factor de potencia . 2.7. Cálculos de potencia en circuitos de alterna con señales sinusoidales T .. 2.8. Cálculos de potencia para formas de ondas periódicas no sinusoidales ~~. Las series de Fourier . Potencia media . Fuente no sinusoidal y carga lineal . Fuente sinusoidal y carga no lineal . 2.9. Cálculos de potencia usando PSpice . 2.10. Resumen . Bibliografía . Problemas . Potencia instantánea y media . Recuperación de energía . Valores eficaces (rms) . Formas de ondas no sinusoidales .. PSpice .

20 20 23 24 26

27 28 30 32

40 40 40 40 42 42 43

44 45

49 56 57 58 58 59 60 60 62

CAPíTULO 3. 3.1. 3.2.

3.3. 3.4. 3.5.

3.6.

RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA: FUNDAMENTOS BÁSI. COS DE ANÁLISIS Introducción . Carga resistiva . Creación de una componente de continua utilizando un interruptor electrónico . Carga resistiva-inductiva . Simulación mediante PSpice .. Uso de programas de simulación para cálculo numérico .. Carga RL-generador . Alimentación de un generador de corriente continua a partir de un generador de corriente alterna . Carga bobina-generador . Uso de la inductancia para limitar la corriente ..

19 19 19 19

65 65 65 65 67 72 72

76 76 80 80

3.7.

3.8. 3.9.

3.10. 3.11. 3.12.

Contenido

IX

El diodo de libre circulación Creación de una corriente continua Reducción de los armónicos de la corriente de carga Rectificador de media onda con un filtro de condensador Creación de una tensión 'continua a partir de un generador de alterna El rectificador de media onda controlado Carga resistiva Carga R-L Carga RL-generador Soluciones de PSpice para rectificadores controlados Modelado del SCR en PSpice ,................................................ Conmutación ,. Efecto de la inductancia del generador Resumen

82 82 86 88 88 94 96 97 100 102 102 105 105 107

Problemas Rectificador de media onda con carga resistiva Rectificador de media onda con carga R-L Rectificador de media onda con carga RL-generador Diodo de libre circulación Rectificador de media onda con un condensador de filtro Rectificador de media onda controlado Conmutación ,. Designación de problemas

RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETA V TRIFÁSICOS: CONVERSiÓN CA-CC . Introducción , . Rectificadores monofásicos de onda completa . El rectificador en puente . .. El rectificador con transformador de toma media Carga resistiva '" . Carga R-L . Armónicos del generador . Simulación en PSpice ,. Carga RL-generador . Filtro de salida basado en condensador . Dobladores de tensión . Salida con filtro L-C . Corriente continua para la salida con filtro L-C .. Corriente discontinua para la salida con filtro L-C .. Rectificadores controlados de onda completa . Carga resistiva . Carga R-L, corriente discontinua . Carga R-L, corriente continua . Simulación en PSpice de los rectificadores controlados de onda completa . Rectificador controlado con carga RL-generador .

108 108 108 109 110 110 111 112 113

CAPíTULO 4. 4.1. 4.2.

7 ~

2 5

4.3.

lIS

115 115 118 118 119 119 123 123 126 128

131 132

133 134 138

139 140 142 145 146

L

X

Contenido

4.4. 4.5.

4.6. 4.7.

4.8.

El convertidor monofásico controlado operando como un inversor Rectificadores trifásicos Rectificadores controlados trifásicos Simulación en PSpice de los rectificadores controlados trifásicos Rectificadores de doce pulsos El convertidor trifásico operando como un inversor Transmisión de potencia continua Conmutación: el efecto de la inductancia del generador Rectificador monofásico en puente Rectificador trifásico Resumen

Problemas Rectificadores monofásicos no controlados '" Rectificadores monofásicos controlados Rectificadores trifásicos no controlados Rectificadores trifásicos controlados Problemas de diseño

. . . . . . . . . . .

149

. . . .. . .

171 171 173

156 157

160 162 164

168 168 169 171

175

175

176

CAPíTULO 5. 5.1. 5.2.

5.3.

5.4. 5.5.

5.6.

CONTROLADORES DE TENSiÓN ALTERNA: CONVERTIDORES CA-CA . Introducción . El controlador de tensión alterna monofásico .. Funcionamiento básico . .. Controlador monofásico con carga resistiva Controlador monofásico con carga R-L . Simulación en PSpice de los controladores de tensión alterna monofásicos " Controladores trifásicos de tensión . .. Carga resistiva conectada en estrella Carga R-L conectada en estrella . Carga resistiva conectada en triángulo . .. Control de la velocidad de los motores de inducción Control de VAR estático (compensador estático de reactiva) . Resumen .

151

Problemas Controladores de tensión monofásicos Controladores de tensión trifásicos

. . .

CAPíTULO 6. CONVERTIDORES CC-CC 6.1. Reguladores lineales de tensión 6.2. Un convertidor conmutado básico 6.3. El convertidor reductor Relaciones entre la tensión y la corriente ., Rizado de la tensión de salida 6.4. Consideraciones de diseño 6.5. El convertidor elevador

. . . . . . . .

'" ,.. ,

, ,

'"

177 177 177 177

179 182 186 187

187 192 194 196 197 198 198

198

200 201 201 202 203 203

208 211 "

212

r Contenido

~

1 6 1

6.6.

O

6.7. 6.8.

2 4 8 8 9 '1

6.9.

11 11

'3 '5 '5 r6

6. J O.

6.11.

17 17 17 17 19 ~2

B6 B7 B7

92 94 96 97

98 98 98 !OO

m !Ol !O2

W3 W3 208

Zll Z12

\

\

RelacIOnes entre la tensión y la corriente Rizadu de la tensión de salida El convertidor reductor-elevador Relaciones entre la tensión y la corriente Rizado de la tensión de salida .. El convertidor éuk Efectos no ideales en el funciunamiento de un convertidor Caídas de tensión en los interruptores Resistencia del condensador: efecto en el rizado Resistencia de la bobina Pérdidas de conmutación Funcionamiento con corriente discontinua Convertidor reductor con corriente discontinua Convertidor elevador con corriente discontinua Simulación en PSpice de los convertidores CC-CC Un modelo conmutado en PSpice Un modelo de circuito promediado Resumen

XI 212 216 217 218 222 223 228 228 229 230 231 233 233 236 239 240 243 248

Bibliografía

249

Problemas Convertidores lineales Convertidor conmutado básico Convertidor reductor Convertidor elevador Convertidor reductor-elevador Convertidor éuk Efectos no ideales Corriente discontinua PSpice

250 250 251 251 252 253 253 254 254 254

CAPíTULO 7. FUENTES DE ALIMENTACiÓN DE CORRIENTE CONTINUA.. 7.1. Introducción 7.2. Modelos de transformadores 7.3. El convertidor fIyback Análisis con el interruptor cerrado Análisis con el interruptor abierto .. Modo de corriente discontinua en el convertidor fIyback Resumen del funcionamiento del convertidor fIyback 7.4. El convertidor forward Análisis con el interruptor cerrado Análisis con el interruptor abierto Resumen del funcionamiento del convertidor forward 7.5. Convertidor forward con dos interruptores 7.6. El convertidor push-pull Interruptor Sw 1 cerrado

257 257 257 259 259 261 266 268 268 268 270 273 275 277 277

XII

Contenido

7.7. 7.8.

7.9. 7.10. 7.11.

7.12.

Interruptor Sw 2 cerrado '" Ambos interruptores abiertos Resumen del funcionamiento del convertidor push-pull Convertidores CC-CC en puente completo y en semi-puente Convertidores alimentados en corriente Sw ¡ cerrado y Sw 2 abierto Sw¡ abierto y SW 2 cerrado Sw¡ y SW 2 cerrados Convertidores con múltiples salidas Elección de convertidores Simulación en PSpice de las fuentes de alimentación de continua Convertidor flyback '" Convertidor forward Convertidor push-pull Convertidor alimentado en corriente Control de las fuentes de alimentación , '" Estabilidad del bucle de control Análisis en pequeña señal Función de transferencia del interruptor Función de transferencia del filtro '" Función de transferencia del circuito PWM Amplificador de error con compensación Diseño de un amplificador de error compensado Simulación en PSpice del control por realimentación Circuitos de control PWM

. . . . .. . . . .. . . . '" . .. '" .. . . . . . .. .. .. ..

279

.

308

Bibliografía Problemas Convertidor Convertidor Convertidor Convertidor PSpice Control

flyback forward push-pull alimentado en corriente

CAPíTULO 8. INVERSORES: CONVERSiÓN DE CONTINUA EN ALTERNA 8.1. Introducción 8.2. El puente convertidor de onda completa 8.3. El inversor de onda cuadrada 8.4. Análisis mediante series de Fourier 8.5. Distorsión armónica total 8.6. Simulación en PSpice de los inversores de onda cuadrada 8.7. Control de armónicos y de amplitud 8.8. El inversor en medio puente 8.9. Salida con modulación por anchura de impulsos Conmutación bipolar Conmutación unipolar 8.10. Definiciones y consideraciones relativas a la modulación PWM

. . . . . . . .. . . . . . . . .. .. . . ..

279 280 281 284 286 286 287 288 289 289 290 291 292 293 294 294 295 296 297 298 298 301 305 306

310

310 310 311

311 312

312 315

315 316 317

321 323 324

327 331

333 333 333

335

XIII

Contenido

8.11.

8.12.

8.13.

8.14.

8.15. 8.16.

Armónicos en la modulación PWM Conmutación bipolar ,. Conmutación unipolar .. , Simulación de inversores con modulación por anchura de impulsos .. PWM bipolar PWM unipolar Inversores trifásicos Inversor de seis pasos Inversor trifásico PWM Simulación en PSpice de los inversores trifásicos Inversores trifásicos de seis pasos Inversores trifásicos PWM Control de velocidad de motores de inducción Resumen

337 337 341 342 342 346 351 351 354 356 356 357 358 .

Bibliografía

360

Problemas Inversor de onda cuadrada y análisis de Fourier Control de armónicos y de amplitud Inversores con modulación por anchura de impulsos Inversores trifásicos

360 360 361 362 363

. CAPíTULO 9. CONVERTIDORES RESONANTES 9.1. Introducción . 9.2. Convertidor conmutado resonante: conmutación a corriente cero . Funcionamiento básico . . Análisis para O < t < ti Análisis para ti < t < t 2 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••• Análisis para t 2 < t < t 3 ••..••.•••.•••.••..••..••..••.••..••...•..••..•..••..••..•..••..•..••...••.••..•...• Análisis para t 3 < t < T . Tensión de salida . 9.3. Convertidor conmutado resonante: conmutación a tensión cero . Funcionamiento básico . Análisis para O < t < t 1 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••••• Análisis para ti < t < t 2 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••••• Análisis para t 2 < t < t 3 ••..••...•...•..••..••..•..•••.••...•..•...•..••..••..•.•.•...•..••..•..••...•..••.. Análisis para t 3 < t < T . Tensión de salida . 9.4. El inversor resonante serie . Pérdidas de conmutación . Control de amplitud . 9.5. Convertidor CC-CC resonante serie . Funcionamiento básico '" . . Funcionamiento para W s > W o Funcionamiento para w 2 /2 < w, < W o . Funcionamiento para W s < w o/2 . Variantes del convertidor CC-CC resonante serie .

l _ ._ _

365 365 366 366 368 368 .369 370 370 372 372 373 375 376

377 377 379 381 381 385 385 385 391 392 392

XIV

Contenido

9.6. 9.7. 9.8. 9.9. 9.10.

Convertidor CC-CC resonante paralelo Convertidor CC-CC serie-paralelo Comparación de convertidores resonantes El convertidor resonante con paso intermedio por corriente continua Resumen

. . . . .

393 39"'7

400 400 404 404 .

Bibliografía

.

Problemas Convertidor resonante de conmutación a corriente cero Convertidor resonante de conmutación a tensión cero Inversor resonante Convertidor CC-CC resonante serie Convertidor CC-CC resonante paralelo Convertidor CC-CC serie-paralelo Convertidor resonante con paso intermedio por corriente continua

. . .. . . . . .

404 404 405 406 406

.. . . . . .. . . .

409

CAPíTULO 10. CIRCUITOS DE EXCITACiÓN Y DE PROTECCiÓN 10.1. Introducción 10.2. Circuito de excitación para MOSFET 10.3. Circuitos de excitación para el transistor bipolar lOA. Circuitos de excitación de tiristor 10.5. Circuitos de protección para el transistor 10.6. Circuitos de protección de recuperación de energía 10.7. Circuitos de protección para el tiristor 10.8. Resumen

406 407 40'

409

409 416 420 421

429 431 431

Bibliografía

.

431

Problemas Circuitos de excitación para MOSFET Circuito de excitación del transistor bipolar Circuitos de protección

. . .. .

432

SERIES DE FOURIER PARA ALGUNAS FORMAS DE ONDAS COMUNES . Las series de Fourier . Sinusoide rectificada de media onda (Figura A.I) '" '" . Sinusoide rectificada de onda completa (Figura A.2) . Rectificador trifásico en puente (Figura A.3) . Forma de onda pulsante (Figura AA) '" Onda cuadrada (Figura A.5) . Onda cuadrada modificada (Figura A.6) . Inversor trifásico de seis pasos (Figura A.7) ..

432 432

432

APÉNDICE A.

435 435

436 436 437

438 438 439 439

441

APÉNDICE B. PROMEDIO DEL ESPACIO DE ESTADOS Pequeña señal y régimen permanente Ecuaciones de estado para el convertidor reductor Bibliografía

. . . .

442

íNDICE

.

447

443 446

r t

"

PROLOGO

El presente libro aspira a ser un texto introductorio a la electrónica de potencia, principalmente para los estudiantes universitarios de ingeniería eléctrica. El texto presupone que el estudiante está familiarizado con las técnicas generales de análisis de circuitos, normalmente estudiadas en los primeros cursos. El estudiante debería conocer los dispositivos electrónicos, tales como los diodos y los transistores, ya que este texto hace hincapié en la tipología y función de los circuitos, en vez de en los dispositivos. El conocimiento de las relaciones entre la tensión y la corriente en los dispositivos lineales es el principal requisito, y el concepto de las series de Fourier también es importante. La mayoría de los temas tratados en este texto deberían resultar apropiados para estudiantes de ingeniería eléctrica, tanto de primeros como de últimos cursos de carrera. El texto está pensado para ser utilizado en un curso semestral de electrónica de potencia, seleccionando el profesor los temas que crea apropiado impartir u omitir. El texto se ha escrito de modo que el orden de los temas sea flexible. Recomendamos que los Capítulos 2 y 3, sobre cálculos de potencia y rectificadores de media onda, se traten al principio del curso, profundizando tanto como el profesor considere adecuado para el nivel de los alumnos. Los Capítulos 6 y 7, sobre convertidores cc-cc y fuentes de alimentación de continua, pueden estudiarse antes de los Capítulos 4 y 5. Se puede omitir parte del texto, como la sección sobre control del Capítulo 7, si se está impartiendo un curso general introductorio. El estudiante debería utilizar todas las herramientas software disponibles para la solución de las ecuaciones que describen los circuitos electrónicos de potencia. Estas herramientas abarc"an desde las calculadoras con funciones incorporadas, como integrales o búsqueda de raíces, hasta potentes programas informáticos, como MATLAB, Mathcad, PC:Solve, TK Solver y otros. Los

XVI

Prólogo

programas informáticos de álgebra, como Mathematica, Maple o DERIVE, utilizados frecuentemente en cursos de matemáticas, resultan, por lo general, apropiados para resolver las ecuaciones de los circuitos. A menudo sugerimos en este texto la utilización de técnicas de análisis numérico. Depende del estudiante el seleccionar y adaptar las herramientas informáticas disponibles al caso de la electrónica de potencia. La...