Electrónica de Potencia

Nivel educativo: Grado. Duración (en horas): Más de 50 horas

Uso de Herramientas de Simulación Electrónica como Apoyo Docente en Electrónica de Potencia

El objetivo de este trabajo es el mostrar cómo las herramientas de simulación electrónica pueden apoyar didácticamente al profesor en la enseñanza de asignaturas relacionadas con la electrónica de potencia. Se va a presentar un ejemplo guiado de uso de este tipo de herramientas en para el diseño del circuito de control de un convertidor CC/CC para una aplicación de alimentación dual en el entorno del automóvil. Para diseñar el circuito de control es necesario determinar en primer lugar la respuesta en frecuencia del convertidor. Se va a hacer uso del programa Simplorer con la biblioteca SMPS Library como herramienta de simulación para este ejemplo. Existen modelos en dicha biblioteca que permiten obtener la respuesta en frecuencia del circuito de forma directa. Este artículo explica los pasos que deben seguirse para diseñar el circuito de control de un convertidor Buck multi-fase usando tanto modelos promediados como modelos conmutados.

Comportamiento en sistemas de potencia ante colapso de voltaje

Tesis (Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Potencia) - U.A.N.L., 2002

Wireless Power Transfer: Control para máxima transferencia de potencia con enlace resonante inductivo

Este trabajo forma parte del proyecto “Health aware enhanced range wireless power transfer systems”, conocido por el acrónimo de ETHER. Los grupos investigadores que forman parte de ETHER involucran a dos instituciones, Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y Universidad Politécnica de Madrid (UPM). En este caso, el trabajo ha sido llevado a cabo en el marco del Centro de Electrónica Industrial(CEI) de la UPM. Además, este trabajo es el tercero en una sucesión de estudios realizados por el CEI con el objetivo de lograr implementar un sistema de carga inalámbrica en un marcapasos. Los trabajos previos al desarrollado son los realizados por Miguel Gifford y María Gonzalez. Otros trabajos del CEI han servido de guía. El principal objetivo de la aplicación, es evitar las operaciones que se llevan a cabo actualmente para la sustitución de la batería de los marcapasos implantados en pacientes. Este periodo de sustitución es del orden de cuatro años, lo que depende del tipo de marcapasos y las circunstancias en las que se vea envuelto el paciente. Se pretende lograr la carga del dispositivo causando la menor molestia posible al paciente sin afectar a su salud. El sistema de carga inalámrica o WPT1, está basado en inducción magnética resonante, conocida como RIC2. Esta tecnología se fundamenta en el uso de bobinas acopladas como elemento transmisor de energía. A su vez, la impedancia de estas bobinas, es compensada mediante el uso de condensadores, obteniendo circuitos resonantes. Mediante el uso de RIC se logran mejores características técnicas para la transmisión de energía en el rango medio. Esto permite salvar la distancia entre el elemento generador y la batería del marcapasos, incluso ante la existencia de tejido orgánico entre las dos bobinas. Se han considerado dos posibilidades de configuraci´on del sistema. Dos etapas: se dispone de dos bobinas, emisora y receptora. Esta configuración supone trabajar a altas frecuencias para conseguir transferencia de energías efectivas teniendo en cuenta las especificaciones del marcapasos. Tres etapas: se dispone de tres bobinas, emisora, intermedia y receptora. Se mejora el alcance, permitiendo trabajar a menores frecuencias, pero complicando el control y la implementación del sistema. Sin embargo, el foco de los esfuerzos invertidos en este trabajo, es el estudio del sistema de optimización que se introduce en las configuraciones anteriormente descritas. La optimización se centra en conseguir máxima transferencia de potencia, quedando relegado a un segundo plano el rendimiento. Esto se justifica por las características de la aplicación donde la principal limitación es la viabilidad del sistema. Asímismo, la viabilidad viene impuesta por la potencia que consume el marcapasos y la que es capaz de suministrar el sistema. Este sistema de optimización se basa en la regulación en frecuencia y en la adaptación de la impedancia de carga. Este último método es estudiado, y se basa en lograr una impedancia de carga igual al complejo conjugado de la impedancia de salida, logrando máxima transferencia de potencia. El sistema de optimización hace uso de varias estructuras de control de electrónica de potencia. Inversor: Se sitúa en la etapa emisora y permite controlar la frecuencia de trabajo del sistema. Rectificador activo: Se sitúa en la etapa receptora y controla el desfase entre intensidad y tensión. Convertidor CC-CC: Se sitúa en la etapa receptora, tras el rectificador. Controla la amplitud de la tensión.Mediante el uso conjunto del rectificador y el convertidor es posible controlar la impedancia de la carga. Se ha realizado un análisis teórico para determinar el punto de funcionamiento óptimo del sistema, y posteriormente, se han validado estos resultados mediante simulaciones. Se demuestra que la potencia transferida por el sistema WTP se multiplica por cinco respecto de la solución original, es decir, en ausencia del sistema de optimización. Además se logra mayor robustez, ya que el control activo del sistema proporciona mayor adaptabilidad ante condiciones alejadas de las de diseño. El trabajo realizado se ha prolongado durante un periodo de doscientos días efectivos con una dedicación de 360 horas de trabajo. El coste total asignado al desempeño del trabajo es de 16.678,94 euros.

Diseño de programas y técnicas educativas que optimicen la adecuación al perfil profesional en la Ingeniería Técnica en Sistemas Electrónicos : memoria de investigación.

Investigar sobre el actual y futuro perfil de los ingenieros técnicos de Telecomunicación describiendo con exactitud su situación laboral, las características del puesto de trabajo (conocimientos o tecnologías empleadas, nivel de responsabilidad, autoridad y función o actividad desarrollada), así como la trayectoria y previsible evolución del ejercicio profesional. Adecuar la formación recibida al perfil profesional. Estudiar comparativamente los niveles de adaptación de las 'Directrices Generales Propias' y proponer alternativas que favorezcan el diseño de planes de estudio más adaptados a las necesidades de los futuros ingenieros técnicos en sistemas electrónicos.. 760 titulados entre 1948 y 1992, elegidos aleatoriamente mediante técnicas de muestreo estratificado.. El número de variables utilizadas es de 276 de las cuales 28 son para caracterizar la situación laboral, 34 para el perfil profesional, 72 para la evolución y tendencias del ejercicio profesional, 46 para la evaluación de la formación recibida en la etapa de pregrado y 27 para la formación de postgrado, dejando el resto para los datos personales y otros temas complementarios. Los datos proporcionados por las encuestas se procesan con el programa estadístico SPSS y la introducción de los datos se realiza por duplicado. El análisis de las 'Directrices Generales Propias' se realiza en base a las doce propuestas que desde 1987 hasta su definitiva publicación el 12 de Octubre de 1992 fueron elaboradas por la Ponencia de Reformas de las Enseñanzas y las respectivas Juntas de Escuela u órganos delegados.. Porcentajes.. Se producen múltiples combinaciones en los conocimientos o tecnologías empleadas habitualmente en el trabajo, lo que pone de manifiesto el carácter multidisciplinar de su actividad. El análisis de la trayectoria profesional y su tendencia se caracteriza por: a) Mayor dedicación a actividades de gestión y administración reduciendo la actividad de producción. b) Evolución de responsabilidades técnico-operativas hacia niveles de gestión y dirección. c) Uso de conocimientos iniciales más tradicionales de Ingeniería que evolucionan hacia la organización y dirección de empresas. La preparación técnica recibida en la Escuela es considerada buena en su parte teórica (con mayores necesidades en el área de Telemática y Ciencias de la Empresa), deficiente en la parte práctica y muy deficiente en su capacitación profesional. Los nuevos planes de estudio deben combinar una formación esencialmente generalista y multidisciplinar con una corta intensificación en alguna de las siguientes áreas: Sistemas de adquisición de datos, Control y Automática, Sistemas basados en microprocesador, Electrónica de Potencia y Microelectrónica..

Integración de la simulación informática no presencial y la enseñanza tradicional : un método de evaluación continua.

Resumen basado en el de la publicación

Análisis, simulación y pruebas de un convertidor DC/DC para aplicaciones aeronáuticas

En la actualidad se está desarrollando la electrónica para el diseño de sistemas de conversión de potencia de alta frecuencia, que reduce notablemente el peso y el ruido de los dispositivos convertidores y aumenta a su vez la densidad de potencia sin afectar negativamente al rendimiento, coste o fiabilidad de dichos dispositivos. La disciplina que se encarga de investigar y crear estos sistemas es la electrónica de potencia. Este documento recoge la metodología empleada para el diseño, análisis y simulación de un convertidor DC/DC de 10 kW de aplicación aeronáutica. Este dispositivo forma parte de un proyecto en el que colaboran el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI - UPM) y las empresas Indra y Airbus. Su objetivo es el diseño y construcción de un rectificador trifásico que proporcione una salida continua de 28 V y 10 kW de potencia. Durante su aplicación final, se dispondrá de dos dispositivos idénticos al diseñado en este proyecto, aportando cada uno de ellos 5 kW, sin embargo, debido a la importancia en seguridad en las aplicaciones aeronáuticas, cada rectificador debe ser capaz de aportar 10 kW de potencia en caso de fallo en uno de ellos. En primer lugar, este trabajo explica el diseño elegido para dicho convertidor, que sigue una topología Dual Active Bridge (DAB), en creciente interés para el desarrollo de dispositivos de potencia en alta frecuencia por sus mejoras en eficiencia y densidad de potencia. Esta topología consiste en dos puentes completos de dispositivos de conmutación, en este caso MOSFET, con un transformador entre medias diseñado para proporcionar la tensión de salida deseada. La topología ha sido modificada para satisfacer especificaciones del proyecto y cumplir las expectativas del diseño preliminar, que se centra en la transición suave de corriente en el transformador, siendo clave el diseño de un filtro resonante en serie con el transformador que proporciona una corriente senoidal con valor nulo en los instantes de conmutación de los MOSFET. Una vez introducida la topología, el siguiente capítulo se centra en el procedimiento de selección de componentes internos del convertidor: destacando el análisis de condensadores y MOSFET. Para su selección, se han estudiado las exigencias eléctricas en los puntos en los que estarán instalados, conociendo así las tensiones y corrientes que deberán soportar. Para asegurar un diseño seguro, los componentes han sido seleccionados de forma que durante su funcionamiento se les exija como máximo el 70% de sus capacidades eléctricas y físicas. Además, a partir de los datos aportados por los fabricantes ha sido posible estimar las pérdidas durante su funcionamiento. Este proyecto tiene un enfoque de aplicación aeronáutica, lo que exige un diseño robusto y seguro, que debe garantizar una detección rápida de fallos, de modo que sea capaz de aislar la anomalía de forma eficaz y no se propague a otros componentes del dispositivo. Para asegurarlo, se ha realizado la selección de sensores de tensión y corriente, que permiten la detección de fallos y la monitorización del convertidor. Al final de este apartado se muestra el esquema de alimentación, se analiza el consumo de los MOSFET y los sensores y se recopilan las pérdidas estimadas por los componentes internos del convertidor. Una vez terminado el diseño y selección de componentes, se muestran las simulaciones realizadas para prever el comportamiento del convertidor. Se presenta el modelo construido y las modificaciones instaladas para las diferentes simulaciones. Se destacan el diseño del regulador que introduce la entrada de corriente del convertidor para analizar su arranque, la construcción de una máquina de estados para analizar la detección de tensiones y corrientes fuera del intervalo correspondiente del correcto funcionamiento, y el modelo de MOSFET para simular los fallos posibles en estos dispositivos. También se analiza la influencia de la oscilación de la carga en los valores de tensión y en la resonancia del convertidor. Tras la simulación del equipo se describen las pruebas realizadas en los componentes magnéticos construidos dentro del periodo de elaboración de este trabajo: el transformador y la bobina externa, diseñada para mejorar el filtro resonante. La etapa final de este trabajo se ha centrado en la elaboración de un código de generación de señales PWM que controlen el funcionamiento de los MOSFET. Para esto se ha programado una tarjeta de control del procesador digital de señales (DSP)Delfino (TMS320F28335) instalado en una placa de experimentación (TMS320C2000), desarrollado por la empresa Texas Instruments, que facilita el acceso a los terminales GPIO y ADC del DSP durante el desarrollo del código, anexo a este documento.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

El juego de rol como elemento dinamizador de la praxis universitaria

El advenimiento y la consolidación del Espacio Europeo de Educación Superior invita a docentes y estudiantes a aplicar nuevas metodologías que desplacen el foco de atención desde la enseñanza (docentes) hacia el aprendizaje (estudiantes), promoviendo nuevas interacciones y nuevos roles en el binomio enseñanza/aprendizaje. Según esto, se describe, en este artículo, una experiencia docente en la que el rol principal recae en los estudiantes, como protagonistas de su propio proceso de aprendizaje; mientras que el docente adopta un rol secundario desde una posición de guía o asesor. Los estudiantes se agrupan en torno a empresas ficticias y el docente juega el papel de cliente, con el que deben establecer una relación comercial y formal durante la impartición de la asignatura. Es en este nuevo escenario en el que se impulsan el desarrollo de una serie de competencias como son el liderazgo, el trabajo en equipo, el autoaprendizaje, o el establecimiento de un lenguaje formal entre empresas y cliente. Los resultados obtenidos son totalmente satisfactorios, demostrando los beneficios de trabajo en este nuevo escenario, simulado y con un ingente aumento en la motivación de los alumnos.

Diseño de material didáctico para electrónica industrial y de potencia

Tesis (Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Control) UANL

Diseño de balastras electrónicas con alto factor de potencia

Tesis (Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Electrónica) UANL

e@2.0 : electrónica aplicada 2.0 : una plataforma para la enseñanza síncrona y asíncrona en Formación Profesional de Grado Medio.

Proyecto de innovación focalizado en un nuevo planteamiento docente basado en la Web 2.0 y la creación de una red social que sirva de referente en asignaturas y módulos de las enseñanzas de Formación Profesional. En concreto, la creación de una plataforma Web con tecnología 2.0, utilizando previamente una metodología de diseño que permita afianzar con una aceptable probabilidad de éxito la incorporación de herramientas, contenidos y objetivos basados en la experiencia de profesionales del sector y en las capacidades del alumno. Los objetivos que se plantean son: la creación de un modelo de referencia a aquellos docentes que persigan un grado de exigencia acorde con la competitividad creciente; potenciar el uso de la tecnología 2.0; desarrollar en el alumnado la concepción de una formación de calidad y con futuro en el mercado laboral. Para su ejecución se han desarrollado varias pruebas y herramientas: 1. Brainstorming para discenir los aspectos más importantes de la electrónica aplicada. 2. Elaboración de una mapa conceptual. 3. Estudio, análisis y determinación de las herramientas utilizadas para cada dimensión en la plataforma 2.0. 4. Implementación de las herramientas. 5. Dotación de contenidos a la plataforma. 6. Retroalimentación del mapa conceptual. 7. Evaluación. Entre las conclusiones, extraídas del proceso de Brainstorming, destaca el pensamiento generalizado de la importancia de la electrónica digital y microprogramable frente a la electrónica analógica y de potencia, seguido de los amplificadores operacionales y las fuentes de alimentación, así como la consideración de menor importancia a los aspectos básicos y abstractos, como el magnetismo o las ecuaciones CC. Las encuestas, de opinión y evaluación, han determinado aquellos elementos que sirven como herramientas para la mejora del perfil profesional y el aprendizaje significativo. En definitiva, la materialización de la plataforma e@2.0 ha sido una realidad en la que los alumnos trabajan, editando contenidos y reeditando otros. Esta plataforma permanece abierta para estudiar en próximos cursos el grado y uso de la misma y realizar futuras consideraciones, como su continuidad o la capacidad de aprender a aprender.

Contacto con la creatividad en potencia.

Comentario sobre los conocimientos adquiridos y la capacidad creativa de los alumnos del módulo de 'Desarrollo de Proyectos Electrónicos' del Ciclo Superior de Electrónica del IES Universidad Laboral de Albacete. Se explican las características de varios inventos realizados por los estudiantes. Se incentiva en los alumnos el trabajo en equipo y la capacidad de pensar, razonar y trazar soluciones por sí mismos.

Amplificador de potencia Clase F en banda L basado en tecnología GaN

This paper reports a high efficiency class-F power amplifier based on a gallium nitride high electron mobility transistor (GaN-HEMT), which is designed at the L band of 1640 MHz. The design is based on source and load pull measurements. During the design process, the parasitics of the package of the device are also taken into account in order to achieve the optimal class-F load condition at the intrinsic drain of the transistor. The fabricated class-F power amplifier achieved a maximum drain efficiency (DE) of 77.8% and a output power of 39.6 W on a bandwidth of 280 MHz. Simulation and measurement results have shown good agreement.

Amplificadores lineales de potencia de alto rendimiento

En este proyecto se ha diseñado con éxito un amplificador de potencia cuya misión será trabajar como driver, teniendo así que excitar a un amplificador de mayor potencia. Como principales requisitos se puede destacar una potencia de salida de 4 W trabajando a una frecuencia central de 100 MHz con un ancho de banda relativo de entre el 20% y el 30% y un rendimiento tan grande como sea posible. El diseño se ha considerado exitoso ya que se ha llegado a conseguir un ancho de banda de trabajo por encima de los 4 W del 40% sacrificando el rendimiento ó del 30% con un rendimiento en torno al 90%. Los contenidos del presente proyecto incluyen los conocimientos teóricos sobre amplificadores de potencia necesarios para comprender lo explicado, así como una descripción detallada de todo el proceso de diseño, optimización, implementación y medidas que se han llevado a cabo. Por último se muestran unas conclusiones basadas en los resultados experimentales obtenidos así como una serie de mejoras propuestas. ABSTRACT In this project, a power amplifier has been successfully designed. The power amplifier designed will perform as a driver whose main target is to excite another power amplifier with a higher output power. As basic requirements can be highlighted an output power of 4 W, a working center frequency at 100 MHz with a relative bandwidth between 20% and 30% with an efficiency as high as possible. The design has been considered successful because a relative working bandwidth above 4 W of 40% has been reached with a drawback in the efficiency or a relative working bandwidth above 4 W of 30% with around 90% efficiency. The content of this project includes the theoretical knowledge about power amplifiers needed to follow most of the explanations as well as a detailed description of the whole process involving design, optimization, prototyping and measurement carried out during the project. Lastly, some conclusions are shown based on experimental results as well as some design improvements.