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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CONSULTA # 6 CÓDIGO DE ASIGNATURA
CARRERA Ingeniería Electrónica Instrumentación
E
CONSULTA N°
INTEGRANTES:
6
TEMA:
1
1967
LA
NOMBRE DE LA ASIGNATURA AS IGNATURA CONTROL ELECTRÓNICO DE POTENCIA
ALEX PAUL PORRAS ROBALINO
DURACIÓN (HORAS)
Protecciones para semiconductores de 4 potencia
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Investigar e identificar los métodos principales para la protección de semiconductores de potencia.
OBJETIVO ESPECIFICO:
2
Conocer la función que realiza cada elemento de protección en el circuito. Comprender la utilización y la importancia de cada elemento investigado.
RESUMEN
En esta presente investigación se indican las características que presenta la protección de los elementos rectificadores de potencia de estado sólido. Los semiconductores son muy sensibles a las sobreintensidades, presentando una característica límite de sobrecarga mucho más exigente que la de otros dispositivos. Habitualmente la protección se realiza por medio de un fusible que se monta directamente en serie con cada elemento rectificador.
ABSTRACT: In this present study the characteristics presented protection rectifier elements solid state power are indicated. Semiconductors are very sensitive to overcurrents, presenting a feature overload limit much more demanding than other devices. Usually the protection is performed by means of a fuse which is m ounted directly in series with each rectifier element.
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FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
PROTECCION DE SEMICONDUCTORES Los semiconductores presentan unos límites muy estrictos en cuanto a valores máximos de tensión corriente y potencia soportadas, que si son superados podrían provocar la destrucción del dispositivo. Cuando se diseña un circuito se ha de poner especial cuidado en que sus componentes puedan resistir las condiciones de trabajo más desfavorables que tengan lugar, tanto durante su funcionamiento normal como ante determinadas acciones ajenas a la propia operación normal del circuito (sobretensiones espúreas, cortocircuitos externos, etc.). Los circuitos de ayuda a la conmutación conocidos comúnmente como “snubber” son una parte esencial en
muchos de los circuitos electrónicos de potencia. Básicamente podemos considerarlos como un conjunto de componentes (pasivos y/o activos) que se incorporan al circuito de potencia para reducir en el dispositivo semiconductor el estrés eléctrico durante las conmutaciones y asegurar un régimen de trabajo seguro. En el diseño de los circuitos de potencia son varios los objetivos que deben permanecer constantemente en la mente del diseñador: Minimizar el tamaño del equipo Mantener un alto rendimiento Ajustarse al coste que el mercado reclama
FUSIBLE Fusible a un dispositivo, constituido por un soporte adecuado, un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.
CLASIFICACIÓN Los fusibles pueden clasificarse empleando diversas características constructivas u operativas, existiendo numerosos antecedentes con distintos criterios. Por ejemplo si se dividen sobre la base de su propiedad de ser reutilizables, se pueden clasificar en:
Descartable Renovable Inteligente, se reutiliza solo la porción no usada.
Figura 1 Grafico Fusible
CIRCUITOS AMORTIGUADORES En el caso normal, se conecta un amortiguador RC en paralelo con un dispositivo semi conductor para limitar la tasa dv/dt para que quede dentro de la especificación máxima permisible. El amortiguador podría ser polarizado o no polarizado. Un amortiguador polarizado en sentido directo es adecuado cuando un tiristor o un transistor se conecta con un diodo en anti paralelo, como muestra la figura 2a. El resistor R limita la tasa dv/dt en sentido directo, y R; limita la corriente de descarga del capacitor, cuando se activa el dispositivo. Un amortiguador polarizado en sentido inverso que limita la tasa dv/dt en sentido inverso se ve en la figura 2b, donde R, limita la corriente de descarga del capacitor. El capacitor no se descarga a través del dispositivo, y resulta una pérdida reducida en el mismo. Cuando se conecta un par de tiristores en forma paralela inversa, el amortiguador debe ser efectivo en cualquier dirección. En la figura 18.16c se ve un amortiguador no polarizado. Los dispositivos de potencia se deben proteger contra tasas dildt y dv/dt excesivas agregando circuitos amortiguadores.
Figura 2 Redes con amortiguadores
ENFRIAMIENTO Y DISIPADORES DE CALOR Debido a las pérdidas en estado activo y por conmutación, dentro del dispositivo de potencia se genera calor. Este calor se debe transferir del dispositivo a un medio de enfriamiento, para mantener la temperatura de operación en la unión dentro del intervalo especificado. Aunque esta transferencia de calor se puede efectuar por conducción, convección o radiación, lo que más se usa en aplicaciones industriales es la convección natural (enfriamiento natural) o forzada (enfriamiento forzado) con aire. Disipador termino que se usa en el ámbito de la evacuación de calor en los componentes electrónicos. El método que se usa para extraer el calor del componente no es el de radiación, sino el de convección. Por tanto, al ser el término disipador (que disipa o extrae el calor) más genérico que el de radiador (que extrae el calor por radiación).
Figura 3 Manera de colocar un disipador
PROTECCIÓN CONTRA VOLTAJE CON DIODOS DE SELENIO y VARISTORES DE METAL ÓXIDO Los diodos de selenio se pueden usar para protección contra sobrevoltajes transitorios. Esos diodos tienen un voltaje de conducción bajo en sentido directo, pero uno bien definido en sentido inverso.
Figura 4 Diodos de supresión de voltaje
PROTECCIONES CONTRA SOBRECORRIENTE En los convertidores de potencia se pueden presentar cortocircuitos o fallas, y las corrientes de falla que resulten deben eliminarse con rapidez. Para proteger los dispositivos semiconductores se suelen usar fusibles de acción rápida. Al aumentar la corriente de falla, el fusible se abre y suprime la corriente de falla en pocos milisegundos.
Acción fusible Los dispositivos semiconductores se pueden proteger escogiendo con cuidado los lugares de los fusibles, como se ve en la figura. Sin embargo, los fabricantes de fusibles recomiendan instalar un fusible en serie con cada dispositivo, como se ve en la figura.
Figura 5 Protección individual de los dispositivos
La protección individual que proporciona una mejor coordinación entre un dispositivo y su fusible permite una mejor utilización de las posibilidades del dispositivo, y lo protege contra fallas por corto (por ejemplo, a través de TI y T4 en la figura).
Figura 6 Fusibles de semiconductor
Para seleccionar un fusible es necesario estimar la corriente de falla, para entonces satisfacer los siguientes requisitos: 1. El fusible debe conducir la corriente nominal del dispositivo en forma continua. 2. El valor admitido de Pt del fusible antes de que desaparezca la corriente de falla debe ser menor que el valor nominal de Pt del dispositivo que se va a proteger. 3. El fusible debe ser capaz de resistir el voltaje después de la extinción del arco. 4. El voltaje pico de arco debe ser menor que el voltaje pico nominal del dispositivo.
Figura 3 Características corriente-tiempo del dispositivo y el fusible
RELÉ TÉRMICO. Los relés térmicos son los aparatos más utilizados para proteger los motores contra las sobrecargas débiles y prolongadas. Se pueden utilizar en corriente alterna o continua.1 Este dispositivo de protección garantiza: Optimizar la durabilidad de los motores, impidiendo que funcionen en condiciones de calentamiento anómalas. La continuidad de explotación de las máquinas o las instalaciones evitando paradas imprevistas. Volver a arrancar después de un disparo con la mayor rapidez y las mejores condiciones de seguridad posibles para los equipos y las personas. Los relés térmicos se utilizan para proteger los motores de las sobrecargas, pero durante la fase de arranque deben permitir que pase la sobrecarga temporal que provoca el pico de corriente, y activarse únicamente si dicho pico, es decir la duración del arranque, resulta excesivamente larga. La duración del arranque normal del motor es distinta para cada aplicación; puede ser de tan sólo unos segundos (arranque en vacío, bajo par resistente de la máquina arrastrada, etc.) o de varias decenas de segundos (máquina arrastrada con mucha inercia), por lo que es necesario contar con relés adaptados a la duración de arranque. La norma IEC 947-4-11 responde a esta necesidad definiendo tres tipos de disparo para los relés de protección térmica: • Relés de clase 10: válidos para todas las aplicaciones corrientes con una duración de arranque
inferior a 10 segundos o menos al 600% de su corriente nominal • Relés de clase 20: admiten arranques de hasta 20 segundos de duración o menos al 600% de su
corriente nominal. • Relés de clase 30: para arranques con un máximo de 30 segundos de duración o menos al 600% de
su corriente nominal.
Figura 7 Relé Térmico
ANALISIS DE RESULTADOS: Se pueden proteger los dispositivos de potencia contra sobrevoltajes transitorios mediante diodos de selenio o con varistores de metal óxido. Cuando el dispositivo de potencia se des activa al final del tiempo de recuperación inversa, la energía almacenada en el inductor limitante de di/dt, debido a la corriente inversa, puede causar una gran dv/dt. El amortiguador de dv/dt debe diseñarse para que el rendimiento sea óptimo.
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CONCLUSIONES El aumento de la corriente que circula por un dispositivo origina un aumento en su temperatura interna que puede llevar a un mal funcionamiento del circuito e incluso a la destrucción del dispositivo. En dispositivos rápidos, en los que el fusible es muy lento, se emplean circuitos de corte o realimentación negativa. Es importe utilizar Relé térmicos para proteger a la carga y al conductor de sobrecorrientes Los circuitos amortiguadores nos ayudan a controlar el diferencial de voltaje es decir el crecimiento del mismo y evita que se dispare los semiconductores involuntariamente.
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RECOMENDACIONES
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Colocar disipadores de calor en los semiconductores con sus debidas protecciones. Utilizar fusibles ultra rápidos para semiconductores rápidos. Conocer las especificaciones de los semiconductores para su control según lo requerido
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DE LA WEB https://www.academia.edu/14276224/PROTECCION_DE_DISPOSITIVOS_ELECTRONICOS_DE _POTENCIA Muhammad H. Rashid, Muhammad H. Rasid Virgilio González yPozo Agustín Suárez Fernández.(2004).Electrónica de potencia: cir-cuitos, dispositivos y aplicaciones.Pearson Educación. ISB: 9702605326,9789702605324 https://es.wikipedia.org/wiki/Rel%C3%A9_t%C3%A9rmico http://www.unioviedo.es/ate/alberto/leccion.PDF
