Doble Grau en International Computer Engineering and Management of Business and Technology

Electrònica de potència

Descripció
En aquest curs s’introdueixen els components i les topologies més habituals emprades en els diferents tipus de convertidors commutats. En la primera part del curs es desenvolupen les tècniques d’anàlisi necessàries per tal de calcular els paràmetres rellevants del convertidor en règim estacionari (tensions, corrents, eficiència, etc.) i s’obté un primer model equivalent del convertidor. L’estudi inclou els modes de conducció contínua i de conducció discontínua. També s’estudien les topologies bàsiques dels convertidors DC-DC (reductor, elevador i reductor-elevador) i altres tipus de convertidors (SEPIC, Cuk). A continuació s’estudien els semiconductors emprats en els convertidors de potència (díode, MOSFET, IGBT) i la implementació dels convertidors amb aquests components. Els models desenvolupats anteriorment s’evolucionen per tal d’incloure les pèrdues d’eficiència derivades de les no idealitats dels components reals (pèrdues en conducció i de commutació). S’inclou una breu introducció del transformador per a aplicacions de commutació i l’estudi d’algunes de les topologies de convertidors aïllats. En el curs s’estudia també el control del convertidor en llaç tancat. En una primera fase s’obté el model AC del convertidor y es deriven les funcions de transferència del convertidor y del controlador. Aquestes es fan servir per a analitzar el sistema en llaç tancat i per a dissenyar un controlador que compleixi els requeriments de disseny (regulació de línia i de càrrega, resposta transitòria, etc.). Es dedica també un capítol sencer als convertidors AC-DC o rectificadors, amb èmfasi especial en els rectificadors de baix contingut harmònic. La darrera part del curs està dedicada al tema dels motors elèctrics i els seus accionaments. Inclou una breu descripció dels tipus de motor més habituals, seguit d’una anàlisi més detallada dels circuits d’accionament per als diferents tipus de motors. El simulador LTspice s'utilitza extensivament al llarg del curs per il•lustrar els conceptes introduïts en les seccions teòriques i per analitzar el comportament dels diferents circuits i dispositius. El curs assumeix uns coneixements previs sobre components electrònics i dispositius semiconductors, anàlisi de circuits i fonaments de sistemes de control.
Tipus assignatura
Optativa
Semestre
Primer
Crèdits
4.00

Professors Titulars

Coneixements previs

Components electrònics i dispositius semiconductors, electrònica bàsica, anàlisi de circuits i fonaments de sistemes de control.

Objectius

Un cop superat satisfactòriament aquest curs, l'alumne haurà adquirit els coneixements i les habilitats necessàries per:
• Entendre què és un convertidor en mode commutat, els seus principis de funcionament i les diferents topologies emprades per implementar-los.
• Usar diferents tècniques d'anàlisi per tal d’obtenir un model equivalent del circuit i resoldre els paràmetres rellevants del convertidor en estat estacionari.
• Utilitzar transformadors per implementar convertidors DC-DC aïllats.
• Implementar els interruptors del convertidor mitjançant semiconductors de potència.
• Determinar els paràmetres crítics dels components passius i actius emprats en els convertidors i seleccionar els dispositius comercials que els compleixen.
• Dissenyar convertidors DC-DC de complexitat baixa i mitja mitjançant controladors comercials.
• Avaluar l'eficiència dels convertidors i identificar i analitzar les opcions per millorar-la.
• Desenvolupar models tèrmics simples per als components del convertidor.
• Desenvolupar un model AC del convertidor i utilitzar-lo per analitzar i dissenyar el controlador del convertidor.
• Simular els convertidors en llaç obert i en llaç tancat mitjançant els seus models equivalents DC i AC.
• Entendre els diferents tipus de motors elèctrics i els circuits que s'utilitzen per a accionar-los.

Continguts

INTRODUCCIÓ A L’ELECTRÒNICA DE POTÈNCIA
1.1 Introducció

2. CONVERTIDORS DC-DC
2.1 Introducció
2.2 Tècniques d’anàlisi
2.3 Topologies bàsiques de convertidors DC-DC: buck, boost i buck-boost
2.4 Arrissada del corrent de l’inductor
2.5 Arrissada de la tensió de sortida
2.6 Eficiència
2.7 Model DC del convertidor
2.8 Altres topologies: Ćuk, SEPIC
2.9 Règim transitori

3. INTERRUPTORS ELECTRÒNICS
3.1 Implementació de l’interruptor
3.2 Díode
3.3 MOSFET
3.4 Implementació del convertidor mitjançant semiconductors
3.5 Modes de conducció contínua i discontínua
3.6 Transistor bipolar
3.7 IGBT
3.8 Nous materials per a dispositius semiconductors
3.9 SOA
3.10 Efecte de l’interruptor en l’eficiència
3.11 Anàlisi tèrmica

4. CONVERTIDORS DC-DC AÏLLATS
4.1 Introducció
4.2 Transformadors per a aplicacions en commutació
4.3 Convertidors aïllats asimètrics
4.4 Convertidors aïllats simètrics

5. CONTROL DEL CONVERTIDOR EN LLAÇ TANCAT
5.1 Control en llaç tancat
5.2 Models de valors mitjans i AC del convertidor
5.3 Funcions de transferència
5.4 Disseny del sistema

6. CONVERTIDORS AC-DC
6.1 Conceptes bàsics de rectificadors
6.2 Rectificadors no controlats
6.3 Rectificadors amb baix contingut harmònic
6.4 Rectificadors polifàsics
6.5 Tiristors i triacs
6.6 Rectificadors controlats

7. ACCIONAMENTS DE MOTORS
7.1 Introducció
7.2 Motors de corrent continu amb escombretes
7.3 Motors pas a pas
7.4 Motors de corrent contínua sense escombretes
7.5 Altres accionaments

Metodologia

L’assignatura s’imparteix mitjançant classes magistrals on es combinen l’exposició dels continguts teòrics amb la demostració de conceptes mitjançant l’ús de programes de simulació i altres eines visuals (models, animacions, etc.).

La consolidació dels conceptes adquirits s’assoleix mitjançant la realització d’exercicis individuals que permeten desenvolupar i ampliar els conceptes teòrics i usar eines de simulació per a la seva aplicació i validació.

Una pràctica, en forma d’un petit projecte que abasta totes las fases de disseny i que l’alumne desenvolupa al llarg del curs, permet a l’alumne aplicar i consolidar addicionalment els coneixements adquirits.

Tot el material docent (presentacions, models de simulació, etc.) es troba disponible a la plataforma Moodle.

Avaluació

L’avaluació de l’assignatura es fa a partir de la informació obtinguda:
• dels exercicis d’avaluació contínua,
• de l’examen final i
• de la part pràctica.

La nota dels exercicis d’avaluació contínua (NAC ) es calcula com la mitjana aritmètica de les notes individuals dels exercicis proposats.

En la convocatòria ordinària, la nota de teoria es calcula a partir de la nota dels exercicis d’avaluació contínua i de la nota de l’examen final d’acord amb els factors de ponderació següents.
NT = 0,45 x NAC + 0,55 x NEF

La nota final de l’assignatura es calcula a partir de la nota de teoria i la de pràctiques mitjançant la fórmula següent:
N = 0,8 x NT + 0,2 x NPR

Per tal d’aprovar l’assignatura cal que:
• La nota de l’examen final (NEF) sigui igual o superior a 4 i
• La nota de teoria sigui igual o superior a 4 i
• la nota de la part pràctica (NPR) sigui igual o superior a 5 i
• la nota final de l’assignatura, calculada a partir de la nota de teoria (80%) i de la nota de la pràctica (20%) sigui igual o superior a 5.

La no presentació de la part pràctica comporta una nota de l’assignatura d’NP.

En la convocatòria extraordinària, la nota de teoria és la de l’examen final de convocatòria extraordinària. La nota final de l’assignatura es calcula a partir de la nota de teoria i la de pràctiques mitjançant la fórmula següent:
N = 0,8 x NT + 0,2 x NPR

La no presentació de la part pràctica comporta una nota de l’assignatura d’NP.

Els exercicis d’avaluació continua són de caràcter obligatori. Per cadascun d’ells s’estableix una data de lliurament. Els problemes lliurats abans de la finalització del termini puntuen sobre 10. La nota dels problemes lliurats amb retard s’obté multiplicant la nota pel coeficient corrector:
K = 1 – (0,2 x d)
On d és el nombre de dies de retard en el lliurament del problema.

Així, la nota d’un exercici lliurat amb dos dies de retard s’obté multiplicant per 0,6 la nota resultat de la correcció d’aquest. Cada alumne disposa d’una bossa de 6 dies que pot fer servir per a evitar les penalitzacions per l’endarreriment del lliurament. El màxim nombre de dies que es pot fer servir per a un únic exercici és de 4 (encara que es disposi d’un nombre més gran de dies a la bossa).

Criteris avaluació
Bibliografia bàsica

Robert W. Erickson, Dragan Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, 2nd ed., Kluwer Academic Publishers, New York, 2004.
N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications and Design, 3rd ed.,Wiley, New York, 2003.
D. W. Hart, Power Electronics, McGraw-Hill, New York, 2011
M. H. Rashid, Electrónica de potencia – Circuitos, dispositivos y aplicaciones, 3ª edición, Pearson-Prentice Hall, México, 2004

Material complementari

[1] PRESSMAN, ABRAHAM. Switching and linear power supply, power converter design . 1998
[2] KASSAKIAN, JOHN G. Principles of power electronics. 1991
[3] Maxon Motors. www.maxon.com
[4] Linear technology www.linear.com
[5] Texas Instruments www.ti.com
[6] Analog devices www.analog.com
[7] National Semiconductor www.national.com
[8] Maxim www.maxim-ic.com
[9] Intersil www.intersil.com