Electronica de-potencia-ii1

ELECTRONICA DE
POTENCIA II
Universidad Francisco de Paula Santander
Facultad de Ingenierías
Ingeniería Electrónica
Ingeniería Electromecánica

UNIDAD V
CONVERTIDORES CD/CD
2

La mayoría de sistemas electrónicos, de
equipos de electrónica de consumo e
industriales, requieren de fuentes
reguladas de bajo voltaje y baja potencia
por ejemplo 12V-20W,alimentadas por
voltajes de distribución(120,208,230V)
La solución a esta necesidad fue hasta la
década de los ochenta, el uso de un
transformador con núcleo de acero al
silicio, con un bobinado secundario con
derivación intermedia, para reducir el
voltaje de distribución(230 V) a 24/12V,un
rectificador de onda completa(2 díodos),
un filtro con capacitor electrolitico,un
circuito integrado regulador lineal(con
transistores) y un capacitor de tantalio(fig.
5.01a).Esta solución es pesada y
voluminosa, por el transformador de baja
frecuencia, e ineficiente por el transistor
5.1 FUENTES DC LINEALES VS FUENTES CONMUTADAS
CONVERTIDORES DC/DC DE ALTA FRECUENCIA DE
CONMUTACION
a)Fuente líneal(6)
Para resolver estos aspectos negativos,
se desarrollaron las fuentes
conmutadas(fig.5.01b).Se rectifica el
voltaje y se filtra(capacitor electrolítico),
para alimentar un mosfet, que conmuta a
alta frecuencia(decenas de Khz), en serie
con un transformador de alta frecuencia(
núcleo de ferrita , liviano y pequeño) .Se
rectifica en el secundario y se usa un
filtro pequeño por la alta frecuencia
Fig 5.01 Fuentes DC líneales
y conmutadas
b)Fuente conmutada(6)
INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II. UNIDAD V. UFPS
3

.
Los convertidores DC/DC se
utilizan en las fuentes conmutadas
de alta frecuencia (convertidores
aislados) y para alimentar motores
DC(convertidores no aislados)
La fig. 5.02 muestra un diagrama
de bloques del convertidor. El
voltaje alterno se rectifica, y se
reduce el rizado mediante un filtro
capacitivo, el cual también reduce
la impedancia interna de la fuente,
o se utiliza una batería. La entrada
al convertidor es un voltaje DC no
regulado. El convertidor regula
(controla) el voltaje y lo
transforma al nivel deseado.
Se estudiarán en régimen
permanente, y en condiciones
ideales(se ignoran las pérdidas , se
asume nula la impedancia de la
fuente, y el efecto de los filtros es
ideal), los siguientes convertidores
no aislados
1.Convertidor reductor (buck )
2.Convertidor elevador(boost)
3.Convertidor buck-boost
4.Convertidor tipo puente
El convertidor reductor y el eleva
dor se clasifican como converti
dores directos y el buck / boost
indirecto
5.2 INTRODUCCION A LOS CONVERTIDORES DC/DC CONMUTADOS
Fig 5.02 Diagrama de bloques de un
convertidor DC/DC conmutado(3)
4

.
En la topología del circuito de la
fig5.03a,se asume que el voltaje
de entrada(V1) es constante, pero
la corriente(i1) posee rizo, debido
a la conmutación de S1.De
manera análoga, se asume que la
corriente de salida es
constante(i2=I2), pero el voltaje de
salida(v2) si posee rizo. Para que
la corriente de entrada, y el
voltaje de salida no tengan rizo,
se deben insertar filtros pasa-
bajo en la entrada(C) y la
salida(L)del circuito.
El flujo de energía puede ser en
cualquier dirección :de 1 a 2 o
viceversa , dependiendo de cómo
se controlen los interruptores.
La figura 5.03a) es idéntica a la
5.03b),(celda canónica) con la
diferencia que se sustituyen los
interruptores S1 y S2, por un
interruptor de un polo y doble
tiro. Las 2 posibles maneras como
se interconectan los 3 terminales
de la celda canónica, dan origen a
las dos topologías básicas de los
convertidores DC/DC : directa e
indirecta
5.3 CELDA CANONICA DE CONMUTACION(1)
Fig. 5.03 Topología mas elemental
Del convertidor dc/dc
a)Topología más simple del con
vertidor DC/DC y el filtro pasa bajo(1)
b)Celda canónica de conmutación(1)
5

.
Sí en la celda canónica se conecta el
terminal B, común al puerto de entrada
y al de salida, se obtiene lo que se
conoce como el convertidor directo
(fig. 5.04a) ,ya que existe un camino
para la corriente DC entre el puerto de
entrada y el de salida .
Se asume para el interruptor serie(Sxy)
una relación de trabajo en régimen
permanente(D), y el flujo de energía de
1 a 2
La forma de onda del voltaje del
interruptor paralelo (Sxz) se muestra en
la figura 5.04b), y la corriente del
interruptor serie se muestra en la fig.
5.04c). Aplicando la ley de Kirchoff de
voltajes en valores medios, en la salida
se obtiene :
La aplicación de Kirchoff de corrientes
al nodo A , permite obtener
5.4 CONVERTIDOR DC/DC DIRECTO REDUCTOR
5.4.1 MODO DE CONDUCCION CONTINUO (1)
Fig. 5.04 Convertidor directo
a)Circuito(1)
c)Forma de onda de iy(1)
b)Forma de onda de vxz(1)
)02.5(
2
V
1
DV
xz
V
2
V
2
Vy0
L
V
2
V
L
VVxz



)03.5(
D
1
1
I
2
I

)01.5(0
2
i0
1
i
02
i
2
vy
01
i
1
v


6

.
Para implementar los interruptores del
convertidor directo, con dispositivos
semiconductores, de potencia se
siguen los siguientes pasos:
1.Se determinan del circuito(fig. 5.04 a)
Los gráficos v-t para Syx y Sxz. Los
resultados para Sxz se muestran en la
figura 5.05c) y el de Syx en la figura
5.05b)
2.De los gráficos anteriores se
determina el gráfico v-i ,de cada
interruptor.
El interruptor Syx debe tener capacidad
para transportar corriente positiva(de y
hacia x) y soportar voltaje positivo(Vyx
>0).El cuadrante de trabajo del
semiconductor en el gráfico v-i es el I.
El interruptor Sxz debe tener capacidad
para transportar corriente negativa(de z
a x) y capacidad para soportar voltaje
positivo(Vxz >0)
3.Se comparan los requerimientos de
los interruptores con las
características ideales de los
semiconductores(Tabla 1.01) y se
seleccionan los que se adecuen .
El resultado de la comparación se
muestra en la fig 5.05a). Syx
corresponde a un BJT npn o un
MOSFET canal n, y Sxz corresponde a
un díodo con polarización inversa
5.4.2 IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES(1)
Fig. 5.05 Implementación de
interruptores
a)Circuito(1)
b)Formas de onda de Sxy
c)Formas de onda de Sxz
7

.
una relación de trabajo en régimen
2 a 1
La forma de onda del voltaje del
interruptor paralelo (Sxz) se muestra en
la fig. 5.06b), y la corriente del
interruptor serie se muestra en la fig.
5.06c)
Aplicando la ley de Kirchhoff de
voltajes en valores medios, en la salida
,se obtiene .
La aplicación de Kirchhoff de corrientes
al nodo A ,recordando que el valor
promedio de la corriente en un
capacitor es 0, permite obtener
5.5 CONVERTIDOR DC/DC DIRECTO ELEVADOR(1)
5.5.1 MODO DE CONDUCCION CONTINUO
Fig 5.06 Convertidor elevador
a)Circuito/1)
(5.05)
2
V
1
DV
xz
V
2
V
2
Vy0
L
V
2
V
L
VVxz



)06.5(
1
1
2
DI
I

)04.5(02
i0
1
i
02
i
2
vy
01
i
1
v



8

.
convertidor directo, con dispositivos
semiconductores de potencia, se
1-Se determinan del circuito (fig. 5.04
a) Los gráficos v-t para Syx y Sxz. Los
resultados para Sxz se muestran en la
figura 5.07c) ,y el de Syx en la fig. 5.07b)
2-De los gráficos anteriores se
determina el gráfico v-i, de cada
interruptor.
El interruptor Syx debe tener capacidad
para transportar corriente negativa(de
y hacia x) y soportar voltaje positivo
(Vyx >0). El cuadrante de trabajo del
semiconductor en el gráfico v-i es el
IV. El interruptor Sxz debe tener
capacidad para transportar corriente
positiva(de x a z) y capacidad para
soportar voltaje positivo (Vxz >0)
los interruptores con las
semiconductores( Tabla 1.01) ) y se
muestra en la fig. 5.07a). Sxz
corresponde a un BJT npn o un
MOSFET canal n y Syx corresponde a
un diodo con polarización inversa.
5.5.2 IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES.CONV. ELEVADOR
Fig 5.07 Implementación de
interruptores
a)Circuito(1)
b)Forma de onda de Sxy(1)
c)Formas de onda de Sxz(1)
9

.
5.6 MODELO CIRCUITAL DEL CONVERTIDOR DIRECTO
PARA RIZADO DE VOLTAJE Y CORRIENTE(1)
Fig 5.08 Modelos circuitales para
los rizados de voltaje y corriente
del convertidor directo
a)Modelo para rizado de
corriente(1)
b)Modelo para rizado de
Voltaje(1)
z
'i
y
'iIi
22

En el circuito del convertidor
directo(fig.5.04a), las corrientes y voltajes
se consideran formadas por una
componente continua (valor medio) más
una componente alterna.
Se considera ideal el efecto de L(circuito
abierto) ,para impedir el paso de las
componentes alternas , por lo
que:
La conmutación del interruptor Sxy , que
origina las corrientes alternas ,se modela
por una fuente de corriente
y la fuente por su impedancia
interna (fig5.08 a)
En el modelo circuital para el rizado de
voltaje en el puerto 2, la conmutación del
interruptor Sxz , que origina los voltajes
alternos, se modela por una fuente de
voltaje .Se considera ideal el efecto
del capacitor a alta frecuencia(
cortocircuito) y por ello las componentes
alternas de voltaje, no aparecen en el
puerto 1. modela la carga del
puerto 2 (fig. 5.08 b)
)07.5(xz
'v
xz
v
xz
v
z
'i
z
i
z
i;
y
'i
y
i
y
i


1v
yi'
xzv'
2Z
10
Z1

.
De la fig. 5.09 a se infiere ,que el rizado
en el capacitor (Vc) aparece como rizado
de primer orden en V1, y de la fig. 5.09b),
el rizado en IL aparece como rizado de
primer orden en I2.
Los rizados de Vc y de IL son
independientes , de las impedancias de
los sistemas externos
Se asume para el cálculo del rizado de
Vc(V1) que y para el cálculo del
rizado en
En la fig 5.06a),cuando Sxy está abierto,I1
carga al capacitor durante Δt=(1-D)T
Para Sxy abierto(Sxz cerrado),se le aplica
al inductor el voltaje V2, y la corriente en
el inductor disminuye.
5.6.1 CALCULO DE L Y C MINIMOS DEL CONVERTIDOR DIRECTO(1)
Fig. 5.09 Modelos circuitales para
del convertidor directo
corriente(1)
Voltaje(1)
11 Ii 
)08.5(
1
V
T)D1(
1
I
C
T)D1(
1
V
C
t
1
V
C
dt
dv
C
1
I
1
i









)09.5(
2
i
T)D1(
2
V
L
T)D1(
2
i
L
2
V
t
2
i
L
2
V
2
v
L
v









22,2 Vvi 
11

.
El modo de conducción contínuo
(i2>0,para cualquier t),ocurre cuando la
componente pico de rizado de la
corriente de la carga(i2=IL),es más
pequeña que el valor medio de la
corriente, y la ec. 5.02 regula la
operación del convertidor
Sí el valor medio de la corriente es
menor al valor pico de rizado, la
corriente desaparece durante una parte
del ciclo(modo discontinuo).
El valor de la inductancia ,que hace
cambiar el modo de operación de
continuo a discontinuo, se denomina
inductancia crítica(Lc).La corriente es
nula al terminar el período(fig. 5.10b)
5.6.2 INDUCTANCIA CRITICA
Fig. 5.10.Límite de operación
continua del convertidor directo
a)Circuito(1)
b)Formas de onda de iL y
vL(3)
)09.5()D1(
2
i2
T
1
DV
c
L
)
2
V
1
V(
2
i2
DT
c
L
2
i)
2
V
1
V(
c
L2
DT
)
L
i
)2
V
1
V(
c
L2
on
t
2
p,L
i
Li








12

.
Dados los valores operativos del
convertidor directo reductor : L ,Ts, V1,
y D,el valor de corriente promedio de la
carga ,que mantiene al convertidor
operando en modo continuo ,se obtiene
de la ec. 5.09:
Sí decrece la potencia de la carga, se
reduce <i2> y ocurre la operación
discontinua ( fig.5.11b).
Durante el intervalo Δ2Ts , iL=0,vL=0,
(fig. 5.11b)
El voltaje promedio en el inductor es
cero:
La relación de conversión de voltaje, no
depende exclusivamente de la relación
de trabajo
Generalmente los convertidores
DC/DC no se diseñan para operación
discontinua, debido al mayor esfuerzo
(VpIp) ,que deben soportar los
semiconductores en operación
discontinua. La eventualidad de
operación discontinua, debe ser
impedida por el circuito de control
5.7 CONDUCCION DISCONTINUA CON V1 CONSTANTE
DEL CONVERTIDOR DIRECTO REDUCTOR
Fig 5.11 Convertidor directo
Operación discontínua
a)Circuito(1)
b)Forma de onda de iL y vL(3)
)11.5(1
V
1
D
D
2
V
0T
1
)
2
V(DT)
2
V
1
V(
L
v



)10.5()
2
V
1
V(
L2
DT
2
i 
13

.
Sí en la celda canónica se conecta el
terminal C, común al puerto de entrada
y al de salida, se obtiene lo que se
conoce como el convertidor
indirecto(fig. 5.12a), ya que no existe
un camino para la corriente DC entre
el puerto de entrada y el de salida .
una relación de trabajo en regimen
1 a 2
.
Aplicando Kirchhoff de voltajes:
Se invierte la polaridad. Sí D < 0.5
.
.Sí D>0.5 .
Teóricamente el voltaje puede alcanzar
un valor infinito (modelos ideales).Al
considerar modelos reales, el voltaje
de salida tiene un limite. Analizando el
proceso de carga y descarga del
capacitor, se obtiene:
5.8.CONVERTIDOR INDIRECTO(REDUCTOR/ELEVADOR)
5.8.1 MODO DE CONDUCCION CONTINUO (1)
Fig 5.12 Convertidor indirecto
a)Circuito(1)
)13.5(
)1(
122
0
)
21
(
2
D
D
VVVy
L
V
DVVV
L
VVxz



)14.5(
D
)D1(
1
I
2
I


)12.5(0
2
i0
1
i
02
i
2
vy
01
i
1
v


1
V
2
V 
1
V
2
V 
14

.
convertidor indirecto, con dispositivos
semiconductores de potencia, se
1.Se determinan del circuito(fig. 5.12a),
los gráficos v-t , y i-t para Syx y Sxz.
Los resultados para Sxz se muestran
en la figura 5.13c), y el de Syx en la
figura 5.13b).
2.De los gráficos anteriores, se
determina el gráfico v-i de cada
interruptor.
El interruptor Syx debe tener capacidad,
para transportar corriente positiva (de
y hacia x) y soportar voltaje
positivo(Vyx >0).El cuadrante de trabajo
del semiconductor, en el gráfico v-i es
el I. El interruptor Sxz debe tener
capacidad, para transportar corriente
negativa(de z a x) y capacidad para
soportar voltaje positivo (Vxz >0)
los interruptores, con las
semiconductores(tabla 1.01), y se
muestra en la fig 5.13a). Sxz
corresponde a un diodo con
polarización inversa, y Syx corresponde
a un BJT npn o a un transistor mosfet
canal n
5.8.2 IMPLEMENTACION DE INTERRUPTORES(1)
Fig 5.13 Implementación de
interruptores
a)Circuito(1)
b)Forma de onda de Sxy(1)
c)Formas de onda de Sxz(1)
15

.
5.8.3 MODELO CIRCUITAL PARA RIZADO DE VOLTAJE Y CORRIENTE(1)
Fig 5.14 Modelos circuitales para
del convertidor indirecto
corriente(1)
Voltaje(1)
)15.5(xz
'vxzvxzv
z'izizi
y'iyiyi



yi'
)17.5(
2
Z
1
Z
2
Z
1
Z
L
X


En el circuito del convertidor indirecto(fig
5.12a), las corrientes y voltajes se
consideran formadas, por una
componente continua(valor medio) más
una componente alterna.
Se considera ideal el efecto de L, para
impedir el paso de las componentes
alternas , por lo que
La conmutación del interruptor Sxy , que
origina las corrientes alternas, se modela
por una fuente de corriente
y los sistemas externos por su
impedancias ( ) (fig5.14a). Para
que el capacitor no sea muy grande, se
debe cumplir
A la frecuencia de conmutación, el
capacitor ideal se comporta como un
cortocircuito, ( ). La
conmutación del interruptor Sxz , que
origina los voltajes alternos, se modela
por una fuente de voltaje . Para que
el inductor no sea muy grande se debe
cumplir
zi'yi';0i' L

yzvyxv '' 
2
Zy
1
Z
yx
'v
(5.16)
2
Z
1
Z
c
X 
16

.
De la fig .5.13 a) se infiere ,que el rizado
en el capacitor (Vc), aparece como rizado
de primer orden en V1 y V2 ,y de 5.13b)
el rizado en IL, aparece como rizado de
primer orden en I1 y I2.
Los rizados de Vc y de IL son
independientes , de las impedancias de
los sistemas externos
Se asume para el cálculo del rizado de
Vc(v1) que , y para el cálculo del
rizado en
En la fig. 5.12a),cuando Sxy está abierto,
i1 carga al capacitor durante Δt=(1-D)T
Para Sxy abierto(Sxz cerrado),se le aplica
al inductor el voltaje V2, y la corriente en
el inductor disminuye.
5.8.4 CALCULO DE L Y C MINIMOS DEL CONVERTIDOR INDIRECTO(1)
Fig. 5.15 Modelos circuitales para
corriente(1)
Voltaje(1)
Ii 11 
(5.18)
c
Δv
D)T(1
1
I
C
D)T(1
c
Δv
C
Δt
c
Δv
C
dt
dv
C
1
i
1
I




(5.19)
Δi
D)T(1
2
V
L
D)T(1
Δi
L
2
V
Δt
Δi
L
2
V
2
v
L
v
L
L
L





2
V
2
v
,2
i 
17

.
El modo de conducción contínuo
(i2>0,para cualquier t , ocurre cuando la
componente pico de rizado de la
corriente del inductor, es más pequeña
que el valor medio de la corriente ,y la
ec. 5.16 regula la operación del
convertidor
El valor de la inductancia ,que hace
cambiar el modo de operación de
continuo a discontinuo, se denomina
inductancia crítica(Lc).La corriente es
nula al terminar el período(fig .5.16b)
Aplicando Kirchhoff de corrientes en el
nodo A ,y reconociendo que <iC>=0, se
obtiene <i1>=<iy>, y
5.8.5 INDUCTANCIA CRITICA
Fig 5.16 Límite de operación
contínua en el convertidor
indirecto
a)Circuito(1)
b)Forma de onda de IL(3)
)20.5(
2
i2
T
1
DV)D1(
c
L
c
L2
T
1
V
2
D
)D1(
D
2
i
1
i
2
i
2
v
1
i
1
v;
c
L
DT
1
V
p,L
i
1
i
2
p,L
iD
y
i








18

.
Para que los filtros del convertidor
indirecto sean de tamaño reducido se
requiere que una de las redes externas
sea de baja impedancia y la otra alta.
En la práctica es frecuente que ambas
redes sean de alta impedancia, cuando se
utilizan alambres de conexión largos y
altas frecuencias de conmutación.
Para reducir el tamaño del inductor se
propuso la topología conocida como
buck/boost (fig. 5.17a). Se adiciona un
capacitor(C1) para reducir la impedancia
del puerto de entrada(1) y además
participar junto con C2 en el filtraje de las
corrientes alternas de alta frecuencia. Se
puede demostrar que las energías pico
de los dos capacitores es igual a la del
capacitor original.
Si ambas redes tienen baja impedancia, el
capacitor resulta demasiado grande. Para
reducir el tamaño se propuso la topología
conocida como CUK(nombre del ingeniero
que la propuso) .
Se adiciona un inductor (L1)en el puerto
de entrada (1)para aumentar la
impedancia, y además participar junto
con L2 en el filtrado de las armónicas de
voltaje, tarea realizada originalmente por
L12
5.9 VARIANTES TOPOLOGICAS DEL CONVERTIDOR INDIRECTO(3)
Fig 5.17. Modelos circuitales para
a)Convertidor Buck/boost(1)
b)Convertidor CUK(1)
11 Ii 
19

.
5.10 CIRCUITOS DE CONTROL-CONVERTIDOR NO AISLADO(4)
Fig. 5.18 Control de modo
voltaje de convertidores
no aislados
a) Diagrama de bloques(4)
b)Formas de onda(4)
El convertidor DC/DC se controla por
la relación de trabajo del transistor.
Este control puede ser de frecuencia
variable o fija. Se prefiere la frecuencia
fija (facilita la reducción de
interferencia electromagnética) y variar
el tiempo de encendido y apagado del
transistor (PWM). Esto se realiza con
circuitos integrados de bajo costo, por
ejemplo el TL 494 de Motorola ..
La fig. 5.18a) muestra el diagrama de
bloques de un controlador PWM de
frecuencia fija. Se reconocen los
siguientes elementos: 1)Reloj para
ajustar el periodo de conmutación (Ts)
de conmutación; 2) Generador diente
de sierra sincronizado con el
reloj;3)Voltaje de control (activación del
transistor) generado por la comparación
del voltaje diente de sierra y el voltaje
de error (Ve, de lenta variación con
respecto a Ts) generado por el
amplificador de error. Este compara el
voltaje deseado con el existente. Sí Vp
es la amplitud del voltaje diente de
sierra, entonces
Sí el voltaje de salida es inferior al
deseado, se incrementa Ve y d,
aumentando el voltaje de salida.
)21.5(
)
on
t
off
t(
on
t
d


)22.5(
p
V
e
V
d 
20

.
Los convertidores aislados “buck-
derived”, denominados así por
Severns y Bloom, se pueden modelar
como convertidores reductores.
La topología directa (fig. 5.19a) se usa
con baja potencia, menor a 100w.
Utiliza un solo interruptor
controlado(S1).Sí L> Lc, al conducir
S1,conduce S3. S4 y el diodo Zener (Vz)
conducen cuando se apaga S1, para
desmagnetizar el transformador. Se
debe cumplir que
El transformador opera en el
cuadrante I del plano B-H, y por lo
tanto se debe reducir el Bmax de
trabajo
La topología push-pull utiliza 2
interruptores controlados (S1,S2), con
operación complementaria, para que
el transformador opere en los
cuadrantes I y III. S2 y S3 cierran
simultáneamente, al igual que S1 y S4.
Sí no hay simetría en los
interruptores, se requiere un diodo de
rueda libre, para el inductor. El D del
convertidor y la frecuencia de
operación, son el doble del de cada
uno de los interruptores. Se utiliza
para bajas potencias, pero superiores
a 100w.
5.11 CONVERTIDORES AISLADOS “BUCK-DERIVED”(4)
Fig. 5.19 Convertidores aislados
derivados del convertidor reductor
a)Convertidor directo(4)
b)Convertidor push-pull(4)
)23.5(
on
t
1
V
off
t
z
V 
21

.
En la topología puente(fig. 5.20 a)
S1 y S4 están sincronizados al
igual que S2 y S3.La operación de
los interruptores está desfasada
en el tiempo, el equivalente a
180°.
Cada interruptor debe soportar
un voltaje igual al de la fuente y
por ello se utilizan con voltajes
altos. La complejidad del circuito
de control y el costo de los 4
interruptores determinan su
utilización en aplicaciones de
potencias superiores a 1Kw.
La topología semipuente (fig.
5.21b) se utiliza frecuentemente
en aplicaciones monofásicas, en
las cuales se rectifica y se filtra
el voltaje alterno para obtener
V1.Para el filtraje se requiere una
alta capacitancia, por lo que la
utilización de los capacitores
mostrada en el circuito no implica
costos adicionales . Los
interruptores, al igual que en la
topología puente, soportan el
voltaje de la fuente, pero deben
transportar el doble de la
corriente. El transformador opera
con V1/2.
La topología semipuente es más
económica, que la tipo puente
5.12 CONVERTIDORES AISLADOS(4)
Fig. 5.20 Convertidores aislados
derivados del convertidor reductor
a)Convertidor puente(4)
b)Convertidor semipuente(4)
22

.
El convertidor fly-back (fig. 5.21 a), es el
más utilizado de los convertidores
aislados, se utilizaba en los televisores
CRT.
Al conducir S1, se almacena energía en
el núcleo magnético del transformador
fly-back, y cuando S1 abre, la energía se
transfiere (flies back) a la carga. El
transformador se diseña con un
entrehierro adecuado, para que sirva
con doble propósito: inductor y
transformador. Sí n es la relación de
transformación, entonces el voltaje
aplicado al primario del transformador
en un período es:
(5.24)
Sí L= Lc las formas de onda de las
corrientes en el primario y el secundario
se muestran en la fig. 5.21 b)
Cuando S1 se desconecta, el valor de i2
desciende linealmente desde Ip/n a 0
(t= Ts) y desciende el voltaje de salida
5.13 CONVERTIDOR AISLADO FLY-BACK(4)
Fig. 5.21 Convertidor fly-back
a)Circuito
b)Formas de onda de i
0
D)T)(1
s
V
2
(V
)DT
s
V1(V
n
1
2



)25.5(
2
at
)
R
2
V
n
pI
(q
q
2
VC


23

BIBLIOGRAFIA
1)Kassakian J.G. Schlecht M.F. Verghese G.C. PRINCIPLES OF POWER
ELECTRONICS 1991. Editorial Addison Wesley.
2)P T. Krein. ELEMENTS OF POWER ELECTRONICS 1998.Editorial Oxford
University Press
3)Mohan N; Undeland T.M.Robbins W.P. POWER ELECTRONICS
Converters, application and design. 2003. Editorial John Wiley & Sons Inc.
4)Mitchell D.C. DC-DC SWITCHING REGULATOR ANALYSIS 1988 Editorial
Mc Graw -Hill
5)Texas Instruments. DESIGNING WITH THE TL5001 PWM CONTROLLER.
Application Report 1995.
6)INDIAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY POWER ELECRONIC
pdf.www.onlinefreebooks.net. Julio 13 2008.
7) Texas Instruments. DESIGN SWITCHING VOLTAGE REGULATORS WITH
THE TL494. Application Report 2003
24INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II. UNIDAD V. UFPS

ACTIVIDADES
TEORIA
1)Hacer un análisis comparativo entre una fuente regulada y un fuente
conmutada
2)Enumerar algunas aplicaciones de los convertidores DC/DC
3)¿Qué es un convertidor aislado?
4)Interpretar el diagrama de bloques de un convertidor DC/DC.
5)¿Qué se entiende por celda canónica de conmutación?
6)Deducir la ecuación 5.03..
7)Dibujar la forma de onda del voltaje en el inductor en la fig 5.04
8)Deducir la implementación de los interruptores del convertidor directo
reductor.
9)¿Cómo se transforma un convertidor directo reductor en elevador?
10)Deducir la implementación de los interruptores del convertidor directo
elevador.
11)Deducir los valores mínimos de L y C para el convertidor directo.
12)Deducir los modelos circuitales para determinar el rizado de corriente y
voltaje del convertidor directo.
13)Deducir los valores mínimo y máximo de la inductancia y capacitancia del
convertidor directo.
14)¿Qué es la inductancia crítica?¿Por qué es importante?
15)¿Cuál es el criterio para determinar la inductancia crítica de un
convertidor DC-DC?
16)Deducir la expresión para la inductancia crítica de un convertidor directo
reductor.
17)Deducir las expresiones de voltaje y corriente de un convertidor indirecto
.
18)Implementar los interruptores de un convertidor directo elevador
mediante semiconductores.
19)Deducir las ecuaciones 5.15 y 5.16.
20)Determinar los valores mínimos de L y C de un convertidor indirecto.
21)Determinar la inductancia crítica del convertidor indirecto.
22)Analizar y comparar el convertidor buck/boost con el Cuk.

ACTIVIDADES
TEORIA
23)Analizar e interpretar el diagrama de bloqes de control del convertdor
directo reductor.
24)Qué es un convertidor aislado?¿Donde se utiliza?
25)Analizar y describir el funcionamiento de los siguientes
convertidores:push-pull,puente y fly-back.

.
1)El convertidor directo
elevador de la figura, se utiliza
como cargador de baterías .El
circuito de control provee una
corriente de carga constante
con una frecuencia de
conmutación de 20 Khz. La
corriente iL es continua. Se
pide determinar el valor de L
una corriente de rizado pico-
pico menor a 100 mA. Sí I=20 A
,cual es el valor promedio de la
corriente en el inductor.
2) En el convertidor indirecto
de la figura el capacitor de
salida se modela con un ESR=
Rc.
Se asume que las inductancias
y capacitancias son ideales y
se pide:
a)Determinar V2 en función de
V1.
b)Sí I1=10A,D=0.5 y RL = 0.5Ω,
se pregunta cuanto vale V2
PROBLEMAS
Fig 5.23 Convertidor Fly-back
Problema 2(1)
Problema 1(1)
27

.
3)El convertidor directo
elevador de la figura conecta
dos sistemas externos tal como
se muestra en la figura adjunta.
Se supone que L y C son muy
grandes para ignorar los rizados
de corriente y voltaje. Se pide :
a)Determinar en función de
R0/R1 y de D la expresión para
V0 /V1
B)La eficiencia del sistema.
c)El valor de D que maximiza el
voltaje de salida.
4) En el convertidor fly-back
de la figura, se asume
V2=100V, para voltajes en la
entrada que varían entre 10 y
14 V. Se asume de 0.8 V la
caída de voltaje en el diodo y el
transistor y D=0.5 para V1=12V;
ZL=R2=100Ω;fc=24khz.
Se pide:
a)Determinar el valor de la
inductancia crítica en el
primario.b)Dibujar la forma de
onda de la corriente en el
capacitor,paraL=Lc.c)Determina
r el valor mínimo de la
capacitancia ,que permite
obtener un valor pico-pico de
rizado inferior al 1% del valor
CD,para L=Lc
d)Describir y justificar las
características del transfor
mador.
PROBLEMAS
Problema 4(4)
Problema 3(1)
28

UNIDAD VI
CONVERTIDORES CA/CD
29

En el convertidor CD/CA, la
fuente es de naturaleza
continua proveniente de una
batería o de un convertidor
CA/CD con filtro, y la salida
es una fuente alterna de
voltaje fijo o variable, y de
baja frecuencia fija o
variable.
Los interruptores se
implementan por SCRs con
circuitos de conmutación
forzada, GTO o
transistores de potencia
(Mosfet o IGBT)
Estos convertidores se
aplican en: 1)Control de
velocidad de vehículos
eléctricos(trenes). 2)Control
de velocidad de bombas y
compresores con carga
variable y máxima eficiencia
3)Control de velocidad de
cintas transportadoras.
4)Control de velocidad y
secuencia de molinos en las
industrias del acero, papel y
textiles. 5) Control de
velocidad y posicionamiento
de máquinas herramientas.
6)Acondicionadores de
potencia de generadores
eólicos y solares 7)UPS.
6.0 INTRODUCCION
CONVERTIDORES CD/CA
a)Variador de velocidad de MPI
Fig 6.01 Aplicaciones de los
Convertidores CD/CA
b)UPS
30
INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II. UNIDAD VI .UFPS

.
El convertidor CD/CA se conoce
también con el nombre de
inversor. El flujo de potencia es del
lado CD al CA.
Los interruptores conmutan a
baja frecuencia. Con S1 y S4, se
genera en la carga el semiciclo
positivo ,y con S2 y S3 se genera
el semiciclo negativo.(fig. 6.02 a y
b).El valor eficaz del voltaje en la
carga es constante.
Sí se requiere de un voltaje
variable, existen 2 opciones: a)Se
varía el voltaje DC, mediante un
rectificador con control de fase.b)
Se implementa una secuencia de
conmutación, que permita generar
un tercer estado de voltaje cero
en la salida, con duración wt=2δ.
La forma de onda del voltaje de
salida con el tercer estado, se
muestra en la fig. 6.02c).
Para 0<wt<δ,se cierran S1 y
S3,para (π-δ<wt<π+δ) se
cierran S2 y S4
6.1 INVERSOR DE VOLTAJE CON BAJA FRECUENCIA DE
CONMUTACION(1)
6.1.1 CARGA RESISTIVA
Fig 6.02 Inversor tipo puente con
Carga resitiva
a)Circuito(1)
b)Salida (Vac)constante(1)
c)Salida(Vac)variable(1)
)01.6(
2
1
dc
V
)wt(d2
dc
V
1
ac
V







31

.
6.1.2 CARGA RESISTIVA-INDUCTIVA
Fig. 6.03 Inversor puente con carga
resistiva-inductiva
a)Circuito(1)
b)Formas de onda de v e i (1)
)
w
π()
R
L( 
La fig. 6.03 a muestra un inversor
de voltaje con una carga resistiva –
inductiva.Sí , se puede
ignorar la armónica de tercer orden
de la corriente
(6.04))
R
wL
(
1
θ
(6.03)θ)(wt
1a
I(t)
a
i
(6.02)δ
π
dc
V4
1a
V
π2
0
)(t)
a
v
π
1
1a
V
1,3n
an
V(t)
a
v
tan
sen
cos
d(wtsen(wt)
)
n
θsen(nwt








 
)05.6(
2R2)wL(
1a
V
1a
I


La potencia promedia entregada
a la Carga ( R ) es:
07.6(
2
2R2)wL(2
2
dc
V8
P
)06.6(
2
1a
I
1a
V
P
coscos
cos





Los interruptores deben ser
bidireccionales. La potencia se
puede controlar con δ
32

.
Un motor se modela por un inductor
en serie con una fuerza
electromotriz(FEM)..
Sí el inversor de tres estados alimenta
un motor, o es la interfase entre un
sistema fotovoltaico y un sistema
eléctrico comercial ,se puede modelar
por la fig. 6.04 a). La fig. 6.04b) muestra
las formas de onda de los voltajes
La potencia transferida a la fuente es:
La potencia se puede controlar
mediante las variables δ yφ
6.1.3 CARGA CON F.E.M.
Fig 6.04 Puente inversor con
Carga con F.E.M.
a)Circuito(1)
b)Formas de onda de voltajes(1)
)09.6(ac
V
1a
I1a
I
ac
VP cos 
(6.08)
90wL
ac
V
90wL
a
V
a1
I
cosδ
π
dc
4V
a1
V
;0
ac
V
ac
V
1







33

.
Sí en la fig. 6.04 a), L es grande y se
ubica en el lado DC, para no degradar
el factor de potencia, el sistema se
modela por una fuente de
corriente(fig.6.05a). Dependiendo de la
estrategia de control de los
interruptores, el sistema funciona como
rectificador o inversor.
Como inversor ,las formas de onda de v
e i se muestran en la fig. 6.05 b)
.
En ciertas situaciones, es conveniente
controlar P con δ y no con θ ,ya que
esta opción implica interruptores
bidireccionales, y además el control por
θ reduce el factor de potencia en la
carga ,lo que mantiene las pérdidas a
pesar de que se reduce la potencia
transferida
6.2 INVERSOR DE CORRIENTE DE BAJA FRECUENCIA DE
CONMUTACION(1)
Fig 6.05 Fuente inversora de
corriente
a)Circuito(1)
b)Forma de onda de ia(1)
(6.10)
π
dc
I
ac
2V
P
π
dc4I
aI
δπ
δπ
dc
2I
a
I
θ
2
a
I
ac
VT
0
dt
a
i
ac
v
T
1
P
coscos
cosδ
t)sen(wt)d(w
cos
1
1
1






34

.
El control de los interruptores en
el convertidor CD/CA, de baja
frecuencia, tiene como propósito
la reducción de los armónicos.
La reducción de armónicos se
puede realizar de 2 maneras:
a)Se controlan los interruptores
con δ=30° y generando
estados de voltaje 0 en wt=54°
y 114° con duración de
12°,para eliminar los armónicos
de orden 3 y 5(fig 6.06a).
b)Se puede eliminar la armónica
de orden 3(onda alterna con
δ=30° ,mediante la adición de 2
ondas rectangulares(fig 6.03) de
amplitud Vdc/2,desfasadas
60°(fig 6.06b). A este
procedimiento se le conoce como
cancelación de armónicas.
Un método alterno de reducir
armónicas, consiste en desplazar
las armónicas a frecuencias muy
altas, para minimizarlas con filtros
reducidos y con poca atenuación
de la baja frecuencia (técnica
PWM)
6.3 ANALISIS DE ARMONICOS EN INVERSORES DE
BAJA FRECUENCIA (1)
Fig 6.06 Reducción de armónicos
en inversores de baja frecuencia de
conmutación
a)Eliminación de armónicos(1)
b)Cancelación de armónicos(1)
35

.
Se aplica al transistor del convertidor
reductor de la fig.6.07a), una relación
de trabajo que varía de acuerdo a una
ley senoidal ,con una frecuencia
angular(wa) mucho menor que la
frecuencia de conmutación(1/T)
.
La forma de onda del voltaje vd, resulta
modulada en el ancho del pulso, con
una componente CD(0.5V1), una
componente de frecuencia wa, y otras
componentes no deseadas , con
frecuencias igual y superiores a la
frecuencia de conmutación.
Si al voltaje v, se le aplica un filtro
pasa-bajo (L-R) ,el valor promedio
local(valor promedio de v2 para cada
ancho de pulso) presenta una forma de
onda (fig. 6.07b ) idéntica a la señal
aplicada al transistor, pero amplificada
en potencia
Fig 6.07 Convertidor reductor
con relación de trabajo variable
a)Circuito(1)
c)Forma de onda de v2(1)
(6.12)
a
w
2π
R
L
T
(6.11)0.250.5 t)wasen(d(t)


6.4 INVERSORES CON MODULACION DE ANCHO DE PULSO(1)
6.4.1 DEL CONVERTIDOR CD/CD AL INVERSOR PWM
b)Forma de onda de vd(1)
36

.
Sí se aplica al transistor del
convertidor reductor de la fig. 6.08 a),
una relación de trabajo senoidal
.
El voltaje v2,resulta ser una onda
rectificada de frecuencia angular wa, y
de amplitud KV1 (fig 6.08 b)
La forma de onda de v2 se puede
“desrectificar”, utilizando un puente de
4 interruptores(transistores), que
conmutan a la frecuencia angular wa, y
se obtiene en la carga un voltaje
senoidal(fig .6.08 c)
La forma de onda en v2 no se aproxima
a 0 de una manera senoidal, sino
exponencial debido a la acción del
inductor . Esta situación produce una
distorsión en el punto de cruce de
valores positivos a negativos, y puede
generar una serie de armónicas de
frecuencia wa inconvenientes. Esta
situación se puede resolver ,si se ubica
el inductor dentro del puenteFig 6.08 Convertidor reductor
con relación de trabajo senoidal
a)Circuito(1)
b)Forma de onda de v2(1)
modulacióndeindice
twasen
K
1K0
)13.6(K)t(d



6.5 INVERSORES CON MODULACION DE ANCHO DE PULSO
6.4.1 DEL CONVERTIDOR CD/CD AL INVERSOR PWM
c)Forma de onda de vac(1)
37

.
La fig 6.09 a) muestra la topología
del inversor PWM.Los interruptores
S5 y S6 conmutan a alta frecuencia,
con una relación de trabajo
“senoidal absoluta” de baja
frecuencia, para generar en v2 un
voltaje rectificado de baja
frecuencia ,el cual se desrectifica,
mediante los interruptores S1,S2,S3
y S4, para producir el voltaje
senoidal de baja frecuencia en la
carga resistiva
La fig. 6.09b muestra la
implementación del circuito de la
fig. 6.09 a).El inductor en serie con
la carga, reduce la distorsión en el
punto de cruce por cero del voltaje
alterno.
El díodo conectado en antiparalelo
con los transistores provee
bidireccionalidad en la corriente,D5
y D6 deben ser de alta frecuencia
(díodos fast).La dificultad presente
radica en que se requieren tiempos
de conmutación muy precisos,
debido a las posibles trayectorias
de cortocircuito. Por ejemplo
cualquier solapamiento de los
transistores Q1 y Q2 hacen
funcionar a Q5 en condición de
cortocircuito.
Fig 6.09 Convertidor CD/ CD y
“desrectificador “
a)Circuito(1)
6.4.2 CONVERTIDOR CD/CD Y “DESRECTIFICADOR”
b)Implementación del circuito a)(1)
38

.
Sí en el circuito de la fig. 6.09 a)
S5 permanece cerrado y S6
abierto, se puede generar en la
carga un voltaje alterno con
modulación de ancho de pulso,
controlando los interruptores S1 y
S2 a alta frecuencia, y eliminando
los interruptores S5 y S6 .Este
circuito se muestra en la fig. 6.10
a) y la forma de onda de la rama
puente en la fig. 6.10 b).
Para generar el semiciclo positivo
se conmutan a alta
frecuencia(1/T) Q1 y a baja
frecuencia Q4.El semiciclo
negativo se obtiene de la
conmutación a alta frecuencia de
Q2 y Q3 a baja frecuencia.Q1 es
complemetario con Q2 y Q3 con
Q4 . La frecuencia de
conmutación de Q3 y Q4 es la
baja frecuencia(wa/2π) que se
desea obtener en la carga (R-L).
Para filtrar la alta frecuencia, el
valor de L debe ser :
El inversor PWM facilita más que
cualquier otro método, la
reducción de armónicos
Fig 6.10 Inversor PWM
a)Circuito(1)
6.4.3 INVERSOR PUENTE PWM
b)Forma de onda en el puente(1) )14.6(T
R
L
aw
2


39

.
La relación de trabajo con ancho de
pulso modulado, según una ley senoidal
(g(t)), se genera comparando una onda
senoidal rectificada con una onda
triángular(6.11 a).Se conecta al terminal
no inversor de un comparador de
voltaje, una onda proveniente de un
rectificador de onda completa(vs), y el
terminal inversor con una señal
triangular unipolar(vT).La salida g(t) será
alta cuando la onda seno es mayor que
la triangular, y será cero en caso
contrario.La duración de cada pulso la
determina el valor de la onda seno, en
el instante de comparación con la
portadora de alta frecuencia (vT)
La amplitud de la onda senoidal
rectificada (K) se denomina índice de
modulación , y permite variar la
amplitud de la fundamental de voltaje
en la carga.
Los pulsos g(t) ,así generados, se
utilizan para activar el transistor Q1
y un pulso complementario activará a
Q2.Fig 6.11 Generación de la relación
de trabajo senoidal PWM
a)Circuito
6.4.4 GENERACION DE LA RELACION DE TRABAJO
b)Formas de onda
)15.6(twasenK)t(d 
40

.
En la fig 6.12 a)muestra la
interconexión de 3
inversores monofásicos, para
construir uno trifásico.
Al interconectar los
interruptores (fig. 6.12 b) se
aprecia una redundancia en
los interruptores Sa3 con Sb1,
y entre Sa4 con Sb2., y
además los convertidores no
se pueden operar
independientemente, ya que
los interruptores deben
deben operar simultánea
mente.
Sí se dibuja el tercer
convertidor aparecen otros
interruptores redundantes
con Sa1,Sa2,Sb3 y Sb4,por lo
que se pueden eliminar 6
interruptores.
La configuración típica de un
convertidor trifásico utiliza
únicamente 6 interruptores
6.5 INVERSORES TRIFASICOS
6.5.1 CONFIGURACION
Fig 6.12 Inversor trifásico
a)Interconexión de 3
Inversores monofásicos(1)
b)Interconexión de los interruptores(1)
41

.
La fig. 6.13 a) muestra el
inversor típico trifásico. Es
indiferente para el inversor que
la carga(balanceada) este
conectada en delta o en
estrella.
La secuencia de operación de
los interruptores debe generar
un sistema de voltajes entre
líneas (vab,vbc,vca) ,que esten
desfasados en el tiempo el
equivalente a 120°.
La secuencia de operación
para un sistema de secuencia
positiva, se muestra en la
tabla adjunta. La construcción
de esta tabla se realiza con el
siguiente procedimiento : a)Se
dibuja el voltaje fundamental,
de cada uno de los voltajes de
línea desfasados120°.b)Por
simetría se determina la
duración del estado de voltaje
0(π/3) y se dibujan los
voltajes de linea.c)De las
formas de onda, se determina
para cada
intervalo(π/3)losinterruptores
que deben cerrar
6.5 INVERSORES TRIFASICOS
6.5.2 INVERSOR TRIFÁSICO –CARGA DELTA O ESTRELLA
Fig 6.13 Inversor trifásico
a)Circuito(1)
b)Formas de onda(1)
42

BIBLIOGRAFIA
1)Kassakian J.G. Schlecht M.F. Verghese G.C. PRINCIPLES OF POWER
ELECTRONICS 1991. Editorial Addison Wesley.
2)P T. Krein. ELEMENTS OF POWER ELECTRONICS 1998.Editorial Oxford
University Press
3)Mohan N;Undeland T.M.;Robbins W.P. POWER ELECTRONICS
Converters,application and design. 2003. Editorial John Wiley & Sons.

ACTIVIDADES
TEORIA
1)Enumerar 6 aplicaciones de los convertidores CD/CA.
2)Proponer un diagrama de bloques para el circuito de control del
convertidor CD/CA de baja frecuencia de conmutación.
3)Para el convertidor CD/CA de baja frecuencia de conmutación y carga
resistiva-inductiva, se pide demostrar: a) Que si L/R>>π/w, se pueden
ignorar los armónicos de la corriente .b)Que los interruptores deben tener
capacidad bidireccional de corriente. c)La ecuación 6.07
4)Para el convertidor de baja frecuencia de conmutación y carga con
F.E.M(fig.6.04)se pide justificar :a)¿Por qué vac adelanta a va?b)¿De qué
depende φ y δ ?
5)¿Cómo se minimizan los armónicos en los convertidores CD/CA?
6)Para el convertidor de la fig. 6.05 a) se pide justificar la siguiente
afirmación:” el control por θ reduce el factor de potencia en la carga ,lo
que mantiene las pérdidas, a pesar de que se reduce la potencia transferida”.
7)Justificar la siguiente afirmación:”El circuito de la fig.6.07 a) es un
amplificador de potencia”.
8)Para un convertidor CD/CA , PWM, se pregunta qué es el índice de
modulación y para que sirve.
9)Describir la operación del convertidor CD/CA PWM utilizando la fig.6.10.
10)Proponer un diagrama de bloques del circuito de control del convertidor
CD/CA , PWM.
11)Deducir la tabla de conducción de los interruptores del inversor trifásico
de la fig. 6.13

.
1)Para el convertidor CD/CA
de baja frecuencia de
conmutación(60hz) Vdc=125V
δ=30°,R=20Ω.Se pregunta
cuanto vale la potencia
transferida de la fuente a la
carga.
2)En el convertidor de baja
frecuencia de conmutación
(60hz)de la figura Vdc=100V
L=5mH,R=20Ω ,δ=30°.Se pide
determinar:a)Potencia
transferida a la carga, teniendo
en cuenta hasta el quinto
armónico de la corriente; b)
Deducir el tipo de
semiconductor que puede
implementar los interruptores.
3)Para el inversor de la figura
adjunta ,el voltaje alterno es de
240V,60hz. El valor de la
inductancia es de 10mH y la
fuente DC es de 320 V. Si la
potencia transferida a vac con
factor de potencia unitario es
de 10 Kw ,se pide determinar el
valor de δ y φ.
PROBLEMAS
Problema 3(1)
Problema 1(1)
45
Problema 2(1)

.
4)Determinar para el
inversor PWM de la figura
adjunta, el valor del
desfasamiento entre va y
vac ,en función de L y R.
5)El inversor trifásico de la
figura adjunta, alimenta una
carga balanceada conectada
en estrella .Los
interruptores se controlan
para generar voltajes
desfasados 120°.Se pide
dibujar los voltajes de fase,
o sea los voltajes entre las
líneas y el punto común de
la estrella
PROBLEMAS
Problema 4(1)
46
Problema 5(1)

UNIDAD VII
ANALISIS Y DISEÑO DE LOS
COMPONENTES
MAGNETICOS
47

Los componentes magnéticos
(Inductor, transformador) son una
parte importante de un sistema
de electrónica de potencia.
Estos componentes pueden
trabajar en baja frecuencia
(50,60Hz), en convertidores
CA/CD o en alta frecuencia (100
Khz) en convertidores CD/CD.
Los inductores se utilizan en :
a)Filtros de entrada y salida de
los convertidores, CA/CD,
CD/CA, CD/CD, CA/CA.
b)Circuitos limitadores de
corriente.
c)Convertidores resonantes.
Los transformadores se utilizan
para :
a) El desfasamiento de voltajes,
en convertidores CA/CD de 12
pulsos.
b)Aislamiento entre el circuito de
potencia y el circuito de control
(Transformadores de pulso).
c)Almacenar y ,transferir
energía en convertidores CD/CD
aislados.
d)Medición de corriente y de
voltaje (transformador de
Instrumentos).
Fig. 7.01 Inductor
Fig. 7.02 Transformador
7.01 INTRODUCCION A LOS COMPONENTES MAGNETICOS
48
INGENIERO GERMAN GALLEGO. ELECTRONICA DE POTENCIA II. UNIDAD VII . UFPS

.
7.02 COMPORTAMIENTO DE UN COMPONENTE MAGNETICO(7)
Fig 7.03 Relación v – i.(7)
Fig.7.04 Curva de magnetización
del núcleo.(7)
(7.02)Ni
S
dS.Jdl.
l
H 





Al aplicarle un voltaje a un
componente magnético, se demanda
la generación de una densidad de
campo determi
nada por la ley de Faraday.
La densidad de campo (efecto)
es generada por una intensidad de
campo magnético (causa), cuya
relación no lineal se expresa por la
curva de magnetización (línea media
del lazo de histéresis), particular de
cada material.
La relación entre y la corriente
demandada por el componente, se
expresa por la ley de Ampere.
)01.7(
dt
d
dS.
S
B
dt
d
dl.
l
E)t(V











)(B
H
H
49
B

.
La configuración ideal del núcleo
de un componente magnético es
el toroide, por su simetría.
10.03 CALCULO DE LA INDUCTACIA
a) Circuito
Fig. 7.05 Inductor toroidal
Si : R>>w
m
HconstH 
m
l longitud de la trayectoria
media del núcleo.
Aplicando la ley de Ampere, a la
trayectoria media y a la superficie
delimitada por m
l
Nids.S J
mlmH
l
dlH

 
)03.7(Nim
lm
H 
Si se linealiza la curva de
magnetización (Fig. 7.06)
HB  s
HH0 
sBB  sHH 
50
b) Geometría

.
= Densidad de campo de
saturación: 1,5T para núcleos
laminados de acero al silicio ,y
0,4T para ferritas.
a)Circuito
b)Geometría
sB
= Permeabilidad del núcleo
magnético

0i
Material
P
F
W
H
)Khz10(i

%252500

%203000

%30000.10 

%30000.15 

Fig 7.05 Inductor toroidal
51

.
De la ecuación 7.03
a) Lazo de histerésis y curva de
magnetización
b)Curva de Magnetización
linealizada
ml
nANi
;
ml
Ni
mB
Niml
mB
mlmH







= Área Seccional del NúcleonA
Se define
)04.7(
2N
L
ml
nA2N
i
N
i
L








)05.7(
)efecto(
)causa(Ni
nA
ml




Reluctancia del Circuito
magnético.

La inductancia depende de la
geometría del núcleo, del número
de espiras, y de la permeabilidad
.
En la práctica no es constante
,(Fig. 7.06 ) y la inductancia es
función de la corriente.
La reluctancia no es constante.
7.03.2 CALCULO DE LA INDUCTANCIA DEL TOROIDE
Fig7.06 Cálculo de la inductancia
52

1
1
1
A
l


7.04 APLICACION DEL CONCEPTO DE RELUCTANCIA AL CAL
CULO DE LA INDUCTANCIA DE UN NUCLEO DE TRES RAMAS(7)
a)Inductor con núcleo de tres
ramas(7)
b)Circuito eléctrico equivalente del
circuito magnético(7).
La configuración E-E mostrada en
la fig 7.08 , es muy utilizada para
transformadores, porque se
reduce el tamaño del
transformador y se minimiza el
flujo de dispersión .
El calculo de la inductancia de un
inductor de tres ramas, (Fig.
7.07a) se puede realizar con la
aplicación del concepto de
reluctancia, y del circuito
eléctrico equivalente del circuito
magnético (Fig. 7.07b).
Se asume , por lo
que se puede suponer que todo
el flujo circula dentro del núcleo.
0
1A
1l
1


3
2A
)2l21l(
2




Fig.7.07 Núcleo de tres ramas
53

Dado que el modelo no
es aplicable salvo en núcleos con
entrehierro o núcleos
pulverizados
)06.7(
)1l2l2(1A1l2A2
1A2A22N
L
eq
2N
i
L







circuito magnético.
)i(f
a)Inductor con núcleo de tres
ramas.
2
2
1eq


1A2A2
)1l2l2(1A1l2A2
eq



eq
Ni
equivR
E
i

 
Del circuito eléctrico equivalente
Fig.7.07 Inductor con núcleo de tres ramas
54
1

7.05 INDUCTOR DE NUCLEO CON ENTREHIERRO(7)
a)Inductor de núcleo con entrehierro(7)
b)Circuito eléctrico equivalente al
)07.7(
A0
g
Ah
ml
Ni
gm
Ni






;
Ah
ml
m


ml Longitud del circuito magnético.
;
A0
g
g


Longitud del entrehierrog
No se tiene en cuenta la
dispersión del núcleo.
gml
h
0
A0
2N
i
N
L












h
m
l

0
g si
)08.7(
g
2NA0
L


Densidad de energía magnética )mW(
hierroWnucleoWmW 
02
gVgB
h2
hVhB



Fig 7.08 Inductor con entrehierro
55
m
g


a)Inductor con entrehierro(7)
02
gA
2
B
h2
mlA
2
B
mW




)
h
ml
(0g

Si
)09.7(2Li
2
1
02
gA2B
mW 


Efectos del entrehierro:
Disminución de la inductancia
Incremento en la corriente de
saturación.
Independizar la inductancia, de
la permeabilidad del material
ferromagnético.
Incrementar la corriente
nominal del inductor.
BBB0 gh 
7.05 INDUCTOR DE NUCLEO CON ENTREHIERRO
Fig.7.08 Inductor con entrehierro
56
m
g


10.06 EL TRANSFORMADOR
10.06.1 ASPECTO CONSTRUCTIVOS Y OPERACIONALES.
a) Flujos en un transformador.
b) Circuito eléctrico equivalente
del circuito magnético.
Fig. 7.09 Transformador de Dos
Arrollamientos.
Se arrollan dos circuitos
(Bobinas) de N1 y N2 espiras,
sobre un núcleo ferromagnético
de permeabilidad .
El flujo encadenado al circuito 1
es :

)10.7(1dm1
1;11N1



m Flujo mutuo entre 1 y 2 .

1d Flujo de dispersión de 1.
Para el circuito 2 :
)11.7(2dm2
;22N2


Aplicando la Ley de Ampere
)12.7(mm
mi1N2i2N1i1Nml
B



57
1
i
1
N
2
i
2
N
mR

De 7.11 y 7.12
)14.7(
2d2N)2i2N1i1N(
m
2N
2 


De la ley de Faraday
)15.7(
dt
1d
1V


)16.7(
dt
2d
2V


a) Flujo en un transformador.
b) Circuito eléctrico equivalente
del circuito magnético.
Fig. 7.09Transformador de dos
Arrollamientos.
)13.7(
1d1N)2i2N1i1N(
m
1N
1 


De 7.10 y 7.12
58
1
i
1
N
2
i
2
N
mR

7.06.2 MODELAMIENTO DEL TRANSFORMADOR
7.06.2.1 TRANSFORMADOR IDEAL
b) Modelo circuítal.
Fig. 7.10Transformador Ideal.
El transformador ideal posee un
circuito eléctrico ideal
y un circuito magnético ideal
No existe flujo disperso ;
encadena a ambos circuitos y
la corriente que se requiere para
generar el campo magnético es
despreciable(
)0cur( 
)( 
m
)17.7(2m1 
Si 0m; 
mmmi1N2i2N1i1N 
0
1N
2i2N
1imi 
mi Corriente de
magnetización.
Una corriente genera el
campo magnético.
0mi
0mi
59
1
2
2
1
2
1
i
i
V
V
N
N
a 

De la ley de Faraday
)19.7(
dt
md
1N
dt
1d
1V




)20.7(
dt
md
2N
dt
2d
2V




De las ecuaciones 7.19 y
7.20
)21.7(a
2N
1N
2V
1V

Los puntos del modelo
circuital, representan los
puntos de polaridades iguales
en los dos arrollamientos.
Fig. 7.10 Transformador Ideal.
)18.7(
1i
2i
2N
1N
a 
02i2N1i1NSi 
7.06.2.1 TRANSFORMADOR IDEAL
60
1
2
2
1
2
1
i
i
V
V
N
N
a 

7.06.2.2 TRANSFORMADOR CON PERMEABILIDAD FINITA
a) Flujos en un transformador(7).
b) Modelo circuital.(7)
Fig. 7.11. Transformador con
permeabilidad finita.
Se considera circuito eléctrico
ideal y circuito
magnético con finito.
)0cur( 
Si es finito el flujo no se
canaliza todo por el núcleo, y
aparecen flujos a través del aire
(Flujos de dispersión: ).
Los flujos de dispersión se
modelan, por la inductancia de
dispersión.

)22.7(
2i
2d2N
2dL;
1i
1d1N
1dL




Si es finito es finita y
de la ecuación 7.12
 m
mi1N2i2N1i1N 
)23.7(0
1
22
1

N
iN
i
m
i
Se requiere de una corriente para
magnetizar todo el núcleo.
De la ley de Faraday y de la
ecuación 7.13
2d,1d 
61
2
1
2
i
N
N

Se define
m
2
1N
mL


)25.7(21L
m
2N1N
12L
1dLmL11L




Por analogía
dt
2di
22L
dt
2di
21L2V 
a) Flujos en un transformador.
b) Modelo circuital.
Fig. 7.11Transformador de núcleo con
permeabilidad finita.
)24.7(
dt
diNN
dt
di
L
N
V 2
m
211
1d
m
2
1
1














De la ley de Faraday, y de la ec.
7.13 se obtiene:
)26.7(
dt
2di
12L
dt
1di
11L1V


De 7.24 y7.25
62
2
1
2
i
N
N

7.06.3 SATURACION DEL TRANSFORMADOR
a) Curva de magnetización.
Fig. 7.12 Saturación en el transformador.
En el modelo circuital de la (Fig.
7.12b) la variable
representa a un inductor real que
presenta los fenómenos de
saturación e histéresis que
modela la magnetización del
material magnético.
De la ley de Faraday.
dt
dB
n
A1
n1
V 

t
0
1
n1
)27.7(dtV
An
1
)t(B
mL
Si los voltios-segundos aplicados
al primario durante medio ciclo
son elevados, la densidad de
campo puede alcanzar el valor de
saturación y
(corto-circuito)
De la teoría circuital.
0
dt
dB 
dt
di
LV m
m1 
)b27.7(dt1Vt
0Lm
1
)t(mi 
0mL,0 
Si hace saturar el nú
cleo, y la co
rriente de magnetización tiende
a infinito
dtt
0 1V
63

7.07 FENOMENO DE HISTERESIS EN NUCLEOS MAGNETICOS
a) Energía inyectada a un inductor.(7)
b) Lazo de histéresis.
Fig. 7.13 Histéresis.
HdB
La energía inyectada al inductor,
en un ciclo de la corriente alterna
es :
)28.7(dt)t(i)t(t
0VW 
dt
dB
nAn)t(V Pero
)t(inml)t(H y
)29.7(t
0 dBH
mlnA
1
W 
W
Energía
Área del lazo de histéresis
se disipa en el material
calentándolo (Pérdidas por
histéresis).
El efecto depende de si
la causa está aumentando o
disminuyendo (Histéresis) (Fig.
7.13b).
Las pérdidas de potencia por
unidad de volumen
Se pueden modelar por:
Para el material 3F3(ferrita)
W
)B(
)H(
),P( uvm
)30.7(d)caB(afkvu,mP 
)b30.7(mTencaB;Khzenf
)
3
cm
mW
(
5,2
)caB(
3,1
f
6
10x5,1uv,mP


64

7.08 CORRIENTES PARASITAS Y SUS EFECTOS EN NUCLEOS(4)
a) Corriente parásita en una lámina
de un núcleo magnético.(4)
b) Decrecimiento de B.(4)
Fig. 7.14Corrientes parásitas en el
núcleo y sus efectos.
La circulación de un campo
magnético variable al interior de
un material magnético, genera
corrientes (parásitas) dentro del
núcleo (Fig. 7.14a).
El campo magnético producido
por la corriente parásita, se
opone al campo aplicado en el
interior de la lamina, y el campo
magnético resultante decrece
exponencialmente con la
distancia (Fig. 7.14b).
La longitud de decrecimiento
característica es:)(
)31..7(
w
2


w


Frecuencia del campo
aplicado.
Permeabilidad del
núcleo.
Resistividad del núcleo.
Si las dimensiones del área
seccional del núcleo son grandes
comparadas con , el interior
del núcleo transporta poco flujo
(efecto piel).Para reducir las
corrientes parásitas se lamina el
núcleo(en dirección paralela a B)
y se aislan las láminas
65

7.09 EFECTO PIEL EN CONDUCTORES(4)
a) Corriente y Campo magnético.(4)
b) Corrientes parásitas.(4)
Fig. 7.15Efecto piel en conductores.
El flujo de corriente variable por
un conductor, genera un campo
magnético variable con
Fig. 7.15a).
El campo magnético a su vez
genera al interior del conductor
unas corrientes parásitas
(eddy).Corrientes internas que
no contribuyen al la
transferencia de energía pero si
generan pérdidas de potencia
en el conductor (Fig. 7.15b).
Estas corrientes fluyen en el
interior del conductor, en
direcciones opuestas a la
corriente aplicada, y la densidad
de corriente es máxima en la
superficie del conductor y
decae exponencialmente con la
distancia en el interior (efecto
piel).
La longitud característica de
decrecimiento de la densidad
de corriente en el conductor
se denomina profundidad de la
piel,
)t(i
)(
66

c) Distribución de J.
Fig. 7.16Efecto de la frecuencia de
la corriente en la densidad de la
coorriente (efecto piel).(4)
Para el cobre a
50 5K 20K
500
K
10.6 1.06 0.53 0.10
Co100
)hz(f
)mm(
La corriente se transporta
mayoritariamente en una
profundidad del
conductor. Al aumentar se
reduce el área de conducción
y se aumentan la
resistencia del conductor
y las pérdidas en el cobre. El
efecto es significativo en alta
frecuencia.

)32..7(
w
2




w Frecuencia angular de la
corriente
Permeabilidad del conductor
Conductividad del conductor

7.09 EFECTO PIEL EN CONDUCTORES(4)
67

7.10 SOLUCIONES AL EFECTO PIEL(4)
a) Cable paralelo normal.
b) Cable trenzado para neutralizar
las corrientes parasitas.(4)
Fig. 7.17Optimización de los
conductores.
Para minimizar las pérdidas por
corrientes parásitas en un
bobinado, el diámetro del
conductor (redondo) o el espesor
de la lamina conductora, debe ser
igual o menor a la profundidad de
la piel
El proceso de optimización
presenta un dilema : El diámetro
del conductor debe decrecer al
aumentar la frecuencia( para
minimizar las perdidas por
corrientes parasitas), pero esto
produce altas resistencias en DC
y aumento de pérdidas.
La solución se obtiene utilizando
varios alambres de diámetro
pequeño (menor que
), en paralelo, trenzados de
tal manera, que cada alambre
cambia periódicamente de
posición del interior al exterior de
la cubierta del cable. A estos
cables trenzados se les denomina
alambres litz. La desventaja esta
en el costo y el bajo factor de
utilización del núcleo(.3).Una
solución alternativa es utilizar
lámina con ductora de
espesor menor a


68

7.11 MODELAMIENTO DE LAS PERDIDAS EN UN INDUCTOR
a) Inductor.
Fig. 7.18 Modelamiento de las
perdidas.
En un componente magnético
ocurren dos clases de pérdidas:
pérdidas en el cobre y pérdidas
en el núcleo.
Las pérdidas que ocurren por el
calentamiento de los conductores
en baja frecuencia (60hz)
dependen básicamente de
ya que el efecto piel
es despreciable. En alta
frecuencia se afectan
sensiblemente por el efecto piel y
el efecto proximidad (Corrientes
adyacentes).
Estas pérdidas se modelan por
(Fig. 7.18b). Las
pérdidas en el núcleo se originan
por los fenómenos de histéresis y
corrientes parásitas.
En baja frecuencia se minimizan
laminando el núcleo y adicionando
al material ferromagnético
pequeñas cantidades de silicio
En alta frecuencia se minimizan
utilizando materiales con alta
resistividad (ferritas) pero se
presenta el inconveniente de la
baja
Se modelan por en
paralelo con el inductor ideal (Fig.
7.18b).
DCR
cuR
.Bsat
nR
69

7.12 MODELAMIENTO DEL INDUCTOR
a) Circuito.
Fig. 7.19 Inductor con excitación
constante.
LVcuiRvE 
0
dt
d
LV 


cuR
E
Ii 
NI
s
ds.Jdl.
l
H
mlmHdl.
l
H










)33.7(
mlcuR
EN
mB
ml
NI
mB




7.12.01 EXCITACIÓN CONSTANTE
70

7.12.02 EXCITACIÓN ALTERNA SENOIDAL
senoidal
a) Circuito.
Si y se
trabaja en la región lineal de la
curva B-H entonces :
)wt(SenmI)t(i 
)wt(Senm
BB 
dt
dB
NA)t(LV
dt
d
)t(LV)t(V



wtCosmBnAwN)t(LV 
)34.7(mBnANf44.4LV 
sBmB 
Para impedir la saturación del
material magnético :
= Constante
f
L
V
Se asume resistencia muy
pequeña
71

7.12.03 EXCITACIÓN ALTERNA CUADRADA
a) Circuito.
b) Formas de onda.
c) Modelo circuital.
alterna cuadrada.
Si es una onda alterna
cuadrada, también será
alterna cuadrada. Si se opera en
la región lineal B-H :
)t(e
)t(VL
)t(e
dt
d
LV 


;
2/T
0
0dtLv  m)0( 
;tm LV 2
Tt0 
Para ;
2
Tt  m
2
T
LVmm 
T
m4
LV


)35.7()V(mBfnAN4LV 
)Teslas(mB
,)2m(nA,)1seg(f 
MagnéticasPérdidas
LV
nR 
72

7.13 CLASES DE NUCLEOS Y PARAMETROS GEOMETRICOS(5)
a) Tipo E- I(5)
b) Tipo C.(5)
Fig. 7.22 Clases de núcleos
La Fig 7.22 muestra las clases de
núcleos más representativos de
los componentes magnéticos.
El parámetro característico de
estos núcleos es el área producto
, por que es proporcional a la
potencia en un transformador o a
la inductancia máxima en un
inductor
)pA(
)36..7(aWxnApA 
Área seccional del
núcleo.
Área de la ventana.
Espacio ocupado por
los conductores.
nA
aW
)37..7(
uK
cuNA
aW 
N
Número de espiras que
caben en Wa.
cuA
Área seccional del
conductor del cobre.
uK Factor de utilización de
la ventana.Tiene en
cuenta el interespacio
entre conductores y el
espesor del aislamiento
73

7.14 DIMENSIONES OPTIMAS DE LOS NUCLEOS(4)
a) Dimensiones del núcleo E - E.(4)
b) Formaleta de bobina.(4)
Fig. 7.23 Dimensiones del núcleo
y formaleta de la bobina.
Las dimensiones de los
núcleos y de las bobinas se
optimizan con criterios
como: Minimización del
volumen o peso para una
potencia (transformador) o
inductancia (Inductor) dadas,
o minimización del costo
total (núcleo más bobinado).
El fabricante provee el
núcleo y la bobina o la
formaleta para el bobinado.
Para el núcleo E – E de la
Fig. 7.23, los valores óptimos
de las dimensiones son :
a5,2h;a5,1d;ab aa 
a2wh;a7,0wb 
Con estas dimensiones las
características geométricas
serán :
(7.38)
74

c) Componente ensamblado.(4)
Fig. 7.24 Bobina ensamblada.
Área superficial total =
Área seccional del
núcleo.
Área de la bobina.
Volumen del núcleo
. Volumen del
bobinado
.
n
A
wA
nV
wV
)39.7(
3
a3,12
wh
4
2
wb
4)4,0a(wA2
)4,0d(wA2wV




3
a5,13nV;
4
a1,2pA 
2
a4,1wA;
2
a5,1nA 
7.14 DIMENSIONES OPTIMAS DE LOS NUCLEOS(4)
75

7.15 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
10.15.1 TRANSFERENCIA POR CONDUCCION(4)
Fig. 7.25 Transferencia de calor
por conducción(4)
Si la barra metálica aislada
térmicamente de la Fig. 7.25
presenta una diferencia de
temperatura ,entre las
superficies seccionales de los
extremos entonces existe un
flujo neto de energía de la
superficie de mayor
temperatura a la de menor
temperatura.
La potencia calorífica
conducida es :
T
)40.7()w(
d
AT
condP


Conductividad térmica.
)CmW( 1o1 

Área seccional.A )
2
m(
Longit de la barra.d (m)
T )C
o
(1T2T 
Se define resistencia térmica
)cond,R( 
)(7.41
condP
ΔT
cond,θR 
76

7.15.2 TRANSFERENCIA POR CONVECCION
Fig.7.26 Flujo de calor por convección
de una placa vertical.(10)
Una superficie vertical de altura
vertical menor que 1m,
pierde calor por convección por
unidad de tiempo igual a :
vertd
)42.7(
)w(
25,0
)
vert
d(
25,1
)T(A34,1
conv
P


Diferencia de
temperatura entre
la superficie del cuerpo y
el aire circundante
T
)C
o
(
Área de la superficie
vertical
A
)
2
m(
)43.7(
w
C
o
unidades
25,0
T
vent
d
A34,1
1
conv,
R















La transferencia de calor por
convección ocurre entre un
sólido y el fluido que lo rodea.
Las capas del fluido más
próximas se calientan y generan
un flujo(convec. natural)
77

7.15.3 TRANFERENCIA DE CALOR POR RADIACION
Fig. 7.27Flujo de calor por radiación.
(10)
E
)K(o
)K
o
(
De acuerdo a la ley de Stefan-
Boltzmann la transferencia de
calor por radiación es :
darP Potencia radiada en w.
Emisividad de superficie.
0,9 para objetos oscuros
(disipadores de aluminio
anodizado negro).
0,05 aluminio brillante.
aT Temperatura ambiente
sT Temp. de la superficie
A Superficie externa
)45.7(
radP
T
conv,R


Para aluminio negro :
)46.7(
4
100
aT
4
100
sT
A1,5
T
rad,R






























)44.7(
)
4
a
T
4
s
T(EA
8
10x7.5
rad
P 


78

7.16 CONSIDERACIONES TERMICAS PARA EL DISEÑO(4)
Se debe limitar la temperatura del
núcleo y de los arrollamientos,
para evitar la degradación del
desempeño de los materiales
magnéticos y del cobre.
El aislamiento del alambre reduce
su confiabilidad para
y en las ferritas
las perdidas en el núcleo son
mínimas a , por ello se
selecciona la temperatura
superficial máxima en el núcleo
de .
La transferencia de calor se hace
vía radiación y convección.
Dado que la potencia disipada se
distribuye uniformemente, a
través del volumen del núcleo y
del bobinado, la temperatura
interna y superficial del
componente magnético es igual
(No hay transferencia por
conducción).
.
C
o
100T 
C
o
100
Co100
Fig. 7.28 Inductor con entre-
hierro y núcleo E-E.(4)
2
79

Fig 7.28 Inductor con entre-hierro y
núcleo E-E.
depende de la
geometría del núcleo, de los
parámetros operativos
y de la
diferencia máxima de
temperatura admisible, entre
la superficie del núcleo y el
ambiente . .
sa,R 
)J,B,f(
La transferencia del calor se
hace a través de una gran
área seccional y trayectorias
cortas.
La conductividad térmica de
los materiales es muy
grande, y y por ello la
resistencia térmica
predomínante es la de
superficie del núcleo al
ambiente )sa,R( 
7.16 CONSIDERACIONES TERMICAS EN EL DISEÑO(4)
80

7.17 PERDIDAS EN EL BOBINADO POR RESISTENCIA(4)
R
2
IcuP 
R
cdR
)47.7(
2
)J(cu
cuV
R
2
I
vu,cuP 
uv,cu
P =Potencia disipada por
unidad de volumen
de cobre Vcu .
J Densidad de corriente
eficaz.
cuAwNlwVuKcuV 
wV Volumen total del
bobinado.
)
3
cm/mw(
2
JuK22vu,cuP 
J en .2
mm
A
Si se tiene en cuenta el
efecto piel.
)48.7(
2
J
cdR
caR
uK22vu,cuP 
a) Longitud de la espira media(4)
b) Volumen de la Bobina.(4)
Fig. 7.29 Pérdidas por resistencia.
4
81

7.18 PERDIDAS DE POTENCIA EN UN COMPONENTE MAGNETICO
En un componente magnético
ocurren pérdidas por el
calentamiento de los
conductores , y por el
calentamiento del núcleo
magnético , ocasionadas
por los fenómenos de
histéresis y corrientes
parásitas.
)cuP(
)nP(
Si es la potencia total
disipada :
TP
)49.7(nPcuP
sa,R
aTsT
TP 





nV
;vu,nP
nV
nP
Volumen del núcleo.


wV
;uv,cuP
wV
cuP
Volum. del bobinado.
Para máxima eficiencia :
vu,cuPvu,nP 
wVuv,cuPnVuv,nPTP 
a) Potencia disipada.
b) Condición de máxima eficiencia.
Fig. 7.30 Pérdidas de potencia.
)
vu,cuPvu,nPvuP
)wVnV(
TP
50.7(


Potencia disipada = Pérdidas
por histéresis
+
Pérdidas por corrientes
parásitas
Para máxima eficiencia
se debe cumplir que las
pérdidas en el núcleo por
unidad de volumen del
núcleo sean igual a las
pérdidas en el cobre por
unidad de volumen del
bobinado
82

7.19 RELACION ENTRE Puv Y J CON LA GEOMETRIA DEL NUCLEO(4)
Fig. 7.31 J y Puv en función de
la dimensión a (4)
2
a
sa,R
1
K

y constantes.T 1K
TPsa,RT 
2
a2KTP 
Para máxima eficiencia (7.50)
)51.7(uv,cu
Pvu,n
P
vu,n
P
a
3
K
V
T
P
vu
P


Para materiales 3F3
a
3K5.2
)caB(
3.1
f
6
10x5,1 

(7.52)
0.4
a
0.52
f
4K
caB 
De 7.48 y 7.51
)53.7(
uK
5K
J
a

Para núcleo doble E con
Ku=0.3(alambre Litz) ,
Ta=40°C, Y Ts=100°C,la
fig 7.31 muestra J y
Puv(Psp=Pérdidas totales
por unidad de volumen) en
función de a
83

Tabla 7.01 CARACTERISTICAS DEL ALAMBRE MAGNETO(5)
84
AWG
WIRE
SIZE
BASE AREA Resistancia Heavy Synthetics
Cm210-3
Footnote Cir MD4
10-4Ω Area Diameter
Cm at 20⁰c Cm210-3 Cir-MD2 cm Inch2
10 52.61 10384 32.70 55.9 11046 0.267 0.1051
11 41.68 8226 41.37 44.5 8798 0.238 0.0938
12 33.08 6529 52.09 35.64 7022 0.213 0.0838
13 26.26 5184 65.64 28.36 5610 0.190 0.0749
14 20.82 4109 82.80 22.95 4556 0.171 0.0675
15 16.51 3260 104.3 18.37 3624 0.153 0.0602
16 13.07 2581 131.8 14.73 2905 0.137 0.0539
17 10.39 2052 165.8 11.68 2323 0.122 0.0482
18 8.228 1624 209.5 9.226 1857 0.109 0.0431
19 6.531 1289 263.9 7.539 1490 0.0980 0.0386
20 5.188 1024 332.3 6.065 1197 0.0879 0.0346
21 4.116 812.3 418.9 4.837 954.8 0.0785 0.0309
22 3.243 640.1 531.4 3.857 761.7 0.0701 0.0276
23 2.588 510.8 666.0 3.135 620.0 0.0632 0.0249
24 2.047 404.0 842.1 2.514 497.3 0.0566 0.0223
25 1.623 320.4 1062.0 2.002 396.0 0.0505 0.0199
26 1.280 252.8 1345.0 1.603 316.8 0.0452 0.0178
27 1.021 201.6 1687.6 1.313 259.2 0.0409 0.0161
28 0.8046 158.8 2142.7 1.0515 207.3 0.0366 0.0144
29 0.6470 127.7 2664.3 0.8548 169.0 0.0330 0.0130
30 0.5067 100.0 3402.2 0.6785 134.5 0.0294 0.0116
31 0.4013 79.21 4294.6 0.5596 110.2 0.0267 0.0105
32 0.3242 64.00 5314.9 0.4559 90.25 0.0241 0.0095
33 0.2554 50.41 6748.6 0.3662 72.25 0.0216 0.0085
34 0.2011 39.69 8572.8 0.2863 56.25 0.0191 0.0075
35 0.1589 31.36 10849 0.2268 44.89 0.0170 0.0067
36 0.1266 25.00 13608 0.1813 36.00 0.0152 0.0060
37 0.1026 20.25 16801 0.1538 30.25 0.0140 0.0055
38 0.08107 16.00 21266 0.1207 24.01 0.0124 0.0049
39 0.06207 12.25 27775 0.0932 18.49 0.0109 0.0043
40 0.04869 9.61 35400 0.0723 14.44 0.0096 0.0038
41 0.03972 7.84 43405 0.0584 11.56 0.00863 0.0034
42 0.03166 6.25 54429 0.04558 9.00 0.00762 0.0030
43 0.02452 4.84 70308 0.03693 7.29 0.00685 0.0027
44 0.0202 4.00 85072 0.03165 6.25 0.00635 0.0025
A B C D E F G

7.20 CALCULO DEL VALOR PICO DE B EN EL NUCLEO(4)
La densidad de campo magnético
es proporcional a la corriente en
el inductor.
Para corrientes senoidales la
corriente pico genera la densidad
de campo pico, que se aplica en
el voltaje inducido del inductor y
en el cálculo de las pérdidas
magnéticas.
Si la densidad de campo
magnético y por lo tanto la
corriente, presentan una
componente alterna y una
continua(fig 7.32 a) solamente la
componente alterna participa en
las pérdidas, y se cumple que:
:
pI
dcIpI
pB
acB 

7.54)(
dcIpI
pI
acBnBpB



Si se debe
reducir . En este
caso, el flujo no está limitado por
las pérdidas magnéticas.
satBnB 
acB
Fig. 7.32Campo magnético en un
inductor con corriente AC y DC(4)
a)Componente AC y DC
bComponente AC
85

7.21 CALCULO DE LA INDUCTANCIA SIN ENTREHIERRO
Fig. 7.33 Inductor sin Entrehierro.
Se considera el núcleo E-E sin
entrehierro (Fig. 7.33)) de la
ecuación 10.39.
)55.7(
I
JuKaW
cuA
uKaW
N 
Definición
I
nNBA
I
L 


)56.7(
pI
nAmNB
mL 
)57.7(
nAmB
pImL
N 
Igualando 7.55 y 7.57
)58.7(
IpI
JuKmBpA
L 
I Corriente eficaz.
pI Corriente pico.
m
B
Densidad máxima
de campo.
nAaWpA 
Área producto.
86

7.22 DISEÑO DE UN INDUCTOR SIN ENTREHIERRO
• El diseño del inductor
consiste en seleccionar el
material, tipo de núcleo, el
número de espiras y el
calibre del conductor, que
permitan obtener un
determinado valor de
inductancia, con
capacidad para
transportar una cierta
corriente pico y sin
sobrepasar la temperatura
máxima admisible para el
aislamiento del conductor
y del material magnético.
.Inductancia nominal
. Voltaje nominal
.Capacidad de la ventana
para albergar los N
conductores
.Corriente nominal
.Limite de temperatura
Los criterios de diseño
son:
Fig 7.33 Inductor sin entrehierro
87

7.23 APLICACIONES Y CARACTERISTICAS DE LAS FERRITAS(5)
Tabla 7.02
Áreas de aplicación de las ferritas.
Tabla 7.03
Características de las ferritas.
88
FERRITE APPLICATION AREAS
APPLICATIONS DESIRED PROPERTIS PREFERRED MATERIALS AVAILABLE SHAPES
FILTER INDUCTORS High μ Q, High stability,
adjustable and fixed.
A,D,G Pot cores, Toroids, E.U,
and I cores, RM cors
NARROW BAND
TRANSFORMERS
Moderate Q, High μ, HIgh
stability.
A,D,G,F Pot cores, Toroids
POWER TRANSFORMERS High μ and low losses at
high flex, densities and
temperatures, High
saturation.
F,K,P,R Ungapped pot cores, E.U
and I cores,Toroids, EP
cores , RS cores PQ cores
BROAD BAND
TRANSFORMERS
Low loss, High μ J,W Pot cores, Toroids, E.U
and I cores, RM cores, EP
cores.
PULSE TRANSFORMERS High μ low losses, High E
product.
J,W,H Toroids.
CONVERTER AND
INVERTER
TRANSFORMERS
Low Losses, High
saturation.
F,K,P,R Toroids E.U, and I cores,
pot cores, RS cores.
NOISE FILTERS Very High μ J,W,H Toroids.
MACHINING
APPLICATIONS
High u, low losses, High
saturation.
J,K,N,P,R Ferrite Blocks for machine
parts.
SPECIAL APPLICATIONS Controlled temperature
properties
B Toroids.
Parámetro T⁰ F P R K J W+
μ l(20 Gauss
)
25⁰C 3000 2500 2300 1500 5000 10000
μ p (20000
Gauss)
100⁰C 4600 6500 6500 3600 5500 12000
Saturación
Densidad de
Flujo
Bn Gauss
25⁰C 4900 5000 5000 4800 4300 4300
100⁰C 3700 2900 3700 2900 2500 2500
Perdidas
Núcleo
Mw/cm2
(Típicos)
100 Khz 1000
Gauss
25⁰C 100 125 140 100
60⁰C 180 80 100 90
100⁰C 225 125 70 110
-80⁰C -10Khz

7.24 EFECTO DEL ENTREHIERRO EN LA CURVA DE HISTERESIS(2)
a) Inductor con Entrehierro.
Fig. 7.35 Efecto del entrehierro en
la curva B - H.
Para el inductor con entrehierro
)59.7(Nidl.
l
H
gaHmlnHdl.
l
H








Ignorando la dispersión :
)60.7(
n
HnaHoB 
Resolviendo 7.59 y 7.60 :
)61.7(
mlo
gB
ml
Ni
Hn


El punto de operación se obtiene
de la solución grafica de la Ec. 7..
Para , (trayectoria
ascendente).
Para (trayectoria
descendente)
Graficando muchos valores se
obtiene la curva de histéresis con
entrehierro (Fig. 7.35b).
1
i
1BB 
2i 2BB 
89

Los efectos del entrehierro sobre el circuito magnético se pueden
resumir :
a) Se reduce el área del lazo de histéresis .
b) Se reduce la inductancia.
c) Se reduce, el magnetismo residual y se mejora el problema de
saturación en operación transitoria (problema de arranque)
d) Se ma ntiene inalterado el valor de la densidad de saturación
e) Se incrementa la corriente de saturación
b) Solución grafica de 7.61(2)
Fig. 7.35 Efecto del entrehierro en la curva B - H.
90

7.25 EFECTO DEL ENTREHIERRO EN LA DISTRIBUCION DE B(4)
a) Dispersión del flujo.(4)
b) Área efectiva del entrehierro.(4)
c) Modelamiento del entrehierro.(7)
Fig. 7.36 Efecto del entrehierro en B.
En el entrehierro del núcleo
magnético ocurre una dispersión
del flujo como se muestra en la
Fig. 7.36 a, que produce en el
entrehierro una densidad de
campo magnético inferior a la del
núcleo
Se modela la disminución de B en
el entrehierro debido a la
dispersión del campo por un
paralelepípedo rectangular de
altura g y área seccional Ag
(fig 7.36 c )
g)g)(d(agA 
De la continuidad del flujo :
)62.7(
nA
gA
gBnúcleoB 
Para minimizar la dispersión :
Generalmente se asume g=a/10
ag  con da 
91

7.26 NUCLEO EQUIVALENTE
a) Inductor 3 columnas
Fig. 7.37 Núcleo equivalente
Se puede determinar la
inductancia de un núcleo de tres
ramas como el de la fig 7.37a)
utilizando las ecuaciones del
núcleo de dos columnas(fig 7.37b)
definendo un núcleo equivalente
con los siguientes parámetros:
C1=Factor de forma
(7.63)
Ae=Area efectiva
(7.64)
Le=Longitud efectiva
Le =AeC1
Ve=LeAe(volumen efectivo)
C=permeancia del núcleo
C=µ0/C1
Algunos fabricantes de núcleos
determinan para cada núcleo el
valor


2
A
l
1C
Ae

A
l
1C
2
CN
i
L 
C
L
AL 

92

7.27 CALCULO DE LA INDUCTANCIA CON ENTREHIERRO
Fig. 7.38 Inductor con entrehierro(4).
Se considera el inductor con
entrehierro con núcleo E-E
(Fig. 7.37a)
El circuito magnético debe tener
la capacidad de almacenar la
energía requerida por el circuito
eléctrico.
Si se
puede considerar que la energía
se almacena en los entrehierros
(7.09).
)nml(og 
)66.7(
2
pLI
2
1n
1i
o2
i
g
i
A
2
Bi

 
)67.7(
n
1i 2
pIo
igiA2
iB
L 
 

La energía máxima requerida por
el circuito eléctrico es :
)65.7(2/
2
pLIW 
93

7.28 DETERMINACION DEL ENTREHIERRO(4)
Fig. 7.38 Entrehierros distribuidos.(4)
Para :
;pIi  mBB 
mBnA
pNI
m
g,mnúcleo,mm


g
A
o
g
n
A
ml





Pero
nA
ml
gAo
g




)68.7(
mBnA
p
NI
g
A
o
g


)69.7(g
g
Ng 
gN Num. de entrehierros
De 7.62, 7.68 y 7.69 :
















 





g
N
g
d
g
N
g
a
m
B
n
A
p
NI
o
g
)(
gN
da
pNIo
mBnA
nA
g 70.7




Ignorando
2
g
94

7.29 DISEÑO DE UN INDUCTOR CON ENTREHIERRO
Fig. 7.39 Inductor con entrehierro.
El diseño del inductor consiste en
seleccionar el material y el tipo de
núcleo requerido para la aplicación
deseada. Un parámetro importante
para la selección del material es el
producto
denominado factor de desempeño
(PF), el cual se muestra en la Fig.
7.41 para diferentes materiales. Una
vez seleccionado el material y el
tipo de núcleo, se procede a
determinar el número de espiras y
el calibre del conductor, para
obtener la inductancia con la
capacidad de corriente requerida.
Para alta frecuencia las pérdidas
determinan el valor máximo de B y
en baja frecuencia está
determinado por la saturación
La temperatura máxima
admisible(100°C) no se debe
sobrepasar , para no deteriorar el
aislamiento del conductor, o el
material magnético.
Los criterios a cumplir son
idénticos a los del inductor sin
entrehierro, con la diferencia que el
valor de la inductancia se calcula
de 7.67
acBf
95

7.30 EJEMPLO DE DISEÑO DE UN INDUCTOR CON
ENTREHIERRO
Diseñar un inductor de para un circuito resonante a
100KHz con ( senoidal), para una temperatura ambiente de
y temperatura superficial máxima del núcleo de .
300μL 
A4I  C
o
40
C
o
100
Fig. 7.40 Inductor con entrehierro y
Núcleo E-E.
Fig. 7.41Factor de desempeño (PF)
de las Ferritas vs. Frecuencia.
1) Energía máxima requerida por
el circuito.
2
2
1
mILW 
2
)24(
6
10300
2
1
xxx


)71.7(
4
1048 Jx


2) Selección del material y tipo
de núcleo.
La frecuencia de operación
(100KHz) determina un núcleo
de ferrita de la Fig. 10.41, el
mejor factor de
desempeño
a 100KHz lo presenta el
material 3F3, con
Se selecciona un núcleo E-E,
con entrehierro.
La frecuencia de operación
determina la utilización de
alambre litz.
)acBfPF( 
T21,0sB 
96

Fig. 7.42.Geometría del inductor y
la bobina.(4)
3) Cálculo de la densidad
máxima permisible de potencia
disipada .
)72.7(
)wVnV(sa,R
aTsT
Puv



sT Temperatura superficial de
la bobina y del núcleo.
aT Temperatura ambiente.
nV Volumen del núcleo
=
3
a5,13
wV Volum. del bobinado
= 3
a3,12
 sa,R
Resistencia térmica
superficie -ambiente
)73.7(
conv,Rrad,R
conv,Rrad,R
sa,R



)vuP(
97

De 7.43
4
60
035,0
X
)006,0)(34,1(
1
conv,R 
W
C
o
3.19
W
C
o
8,9sa,R 
De 7.73
)3.125.13(8.9
60
vu
P


)74.7(
3
cm
mW
237
Fig. 7.43 Geometría del inductor y
la bobina.
W
C
o
1,20



























 4
100
313
4
100
373
)006,0)(1,5(
60
rad,R
De. 7.46
98

Fig. 7.44 Entrehierro en un núcleo E-E.
4) Calculo de en el núcleo.
El diseño para máxima eficiencia
(7.50)
maxB
uv,cuPuv,nPuvP 
Para el material 3F3 (7.30)
25
)caB(
3,1
f
6
10x5,1uv,nP


KHz100f
3
cm
mW
237 
)75.7(mT173ca
B 
núcleo
Bca
B 
5) Cálculo de B en el entrehierro.
)76.7(
g
A
n
A
n
B
g
B










2
a75,0
n
A
2
a875,0
g
A 
mT3,148gB 
99

6) Energía máxima almacenada


 g)gd)(ga(
o2
2
gB
W
g)gd(g
2
a
o2
2
gB
2 

















2
adg
2
)da(
2
gadg[
o2
2
gB
]
2
a
d
2
g 






Fig. 7.44 Entrehierro en un núcleo E-E.
)77.7(adg
o
2
gB


Para W=0.0048J ;d=1.5 a
g=0.1 a ;Bg=0.148T
a=1.22cm
100

Fig. 7.45 J en función de “a” para
el núcleo 3F3 E-E.
Fig. 7.46 Bobina.
7) Parámetros de la bobina.
De la Fig. 7.31 para
con un
se obtiene .
C
o
60T cm1a 
2
mmA6J 
2
mm67,0
)6(J
)4(I
cu
A 
Se selecciona el conductor de
calibre 19 AWG, que tiene un área
seccional de 0,65 .
2
mm
El número N de conductores debe
caber en el área de la ventana del
núcleo
Para alambre litz y núcleo E-E,
De 7.39.
.3,0uK 
cuA
uKaW
N 
2
mm140aW 
6,64
65,0
3,0x140
N 
Se asumen 64 espiras.
101

Fig. 7.47 Geometría del entrehierro.
Fig. 7.48 Equivalente eléctrico del
Circuito magnético
8) Longitud del entrehierro.
de 7.71
2
025,0
6,5x64x
7
10x4
173,0x
4
10x5,1
4
10x5,1
g






mm32,3
mm66,1g 
9) Recalculo de .nB
g
A
o
gnAnB
2Ni



Aplicando 7.68.
T158,0nB
gnA
gAopNI
nB




10) Calculo de L.
H271L
pI
nBnNA
i
N
L




L < L requerida. Se debe
seleccionar un núcleo con a >1
cm y repetir el
proceso.(concuerda con a=1.22)
102

7.31 ARROLLAMIENTOS DEL TRANSFORMADOR(4)
Fig. 7.49 Arrollamientos
del transformador.(4)
Los arrollamientos ocupan áreas
iguales y disipan la misma
potencia.
)78.7(
p,uK
p,cuApN
p,aW 
)79.7(
s,uK
s,cuAsN
s,aW 
Se asume
)80.7(s,uKp,uK 
)81.7(
s,uK
s,cuAsN
p,uK
p,cuApN
aW 
La potencia disipada es igual en
ambos arrollamientos.
)82.7(
2
)sJ(uK
2
)pJ(uK 
)83.7(
s,cuA
sI
sJ
p,cuA
pI
pJ 
103

De 7.81 y 7.83
)86.7(
sN2
a
W
u
K
s,cuA Fig. 7.49 Arrollamientos
del transformador.
)84.7(
s,cu
A
p,cuA
p
N
s
N
s
I
pI

7.31 ARROLLAMIENTOS DEL TRANSFORMADOR
)85.7(
p
N2
aWuK
p,cuA 
104

7.34 POTENCIA APARENTE DEL TRANSFORMADOR
Fig. 7.50 Potencia aparente del
transformador.
El voltaje inducido en el primario
del transformador (7.34 y 7.36) es
:
)89.7(mBnApNfKpV 
44,4K  (excitación senoidal)
4K  (excitaciónalterna
cuadrada)
La potencia aparente es :
Sustituyendo 7.85
J Valor eficaz de densidad de
corriente.
El área producto y el
tipo de material del núcleo ,
determinan la potencia aparente,
que puede manejar un núcleo
especifico.
Para excitación senoidal :
)nA,aW(
)mB(
)92.7(aWJmBnAfuK22,2S 
)90.7(p,cuAJpVS 
)91.7(aWJmBnAfuK
2
K
S 
105

7.35 CALCULO DEL INCREMENTO DE TEMPERATURA(9)
Fig 7.51Nomograma del incremento de
la temperatura en función del área de
disipación.(9)
El transformador es una
fuente de calor
proveniente de las
pérdidas por corrientes
parásitas e histéresis en
el núcleo magnético y
las pérdidas en el cobre
debido al efecto Joule
,efecto piel y corrientes
de proximi dad.El calor
se transfiere al medio
ambiente por mecanis
mos de radiación y
convección ,que son
propocionales a la
superficie expuesta al
ambiente.La tempera
ratura de equilibrio se
alcanza cuando el calor
generado es igual al
disipado.
La fig 7.51 muestra un
nomograma para deter
minar el incremento de
temperatura del ambi
ente en funcion del
área de disipación
106

7.35.1 AREAS DE DISIPACIÓN DE TRANSFORMADORES(9)
a)Núcleo laminado
E-I
b)Núcleo C
c)Núcleo toroidal
Fig 7.52 Área de disipación de transformadores(9)
107

7.36 DISEÑO DEL TRANSFORMADOR
El diseño del transformador debe satisfacer
simultáneamente ,las siguientes condiciones
:
1.)Limitar el valor operativo de la densidad
de campo magnético( ) Para baja
frecuencia el límite lo determina la
saturación
K = Factor de forma
Para alta frecuencia el límite lo determina el
máximo incremento de temperatura
permisible (ec.7.72)
2.) Que los conductores quepan dentro del
área de la ventana(7.81) y (7.83)
J=280 A/cm2 para núcleos E,UI,pote,
toroidal, excitación senoidal;Ku=0.3 para
E,U,I,pote por cada arrollamiento y 0.2 para
toroidal.Para excitación alterna cuadrada
J=200 A/cm2
3)Potencia aparente requerida(7.92)
4)Para baja frecuencia no sobrepasar el
límite máximo de temperatura permitido
mBfK
1V
nA1N 
Bm
)wVnV(sa,R
aTsT
Puv



s,uK
s,cuAsN
p,uK
p,cuApN
aW 
aWJmBnAfuK22,2S 
108
Fig. 7.53 Transformador de
núcleo seco

7.35 DISEÑO DE UN TRANSFORMADOR EN BAJA FRECUENCIA(3)
Fig. 7.54 Geometría del núcleo(3)
Diseñar un transformador de
aislamiento de 500 VA para 220
V,60 hz, utilizando el núcleo de
acero al silicio(Bs=1.5T) de la figura
adjunta cuyas medidas están
patronadas en función de la
dimensión d.
Se asume una eficiencia de 0.9,un
factor de potencia de 0.8 y un
incremento máximo de temperatura
de 60°C
a) NO SATURACIÓN
b)RESTRICCION ESPACIAL
Los conductores deben caber en la
ventana
Calibre 18 AWG
aWuKcuNA2 
2
cm
3
1011.8
280220
500
J
I
cuA




)94.7(
2
d1458.0
3
10N 


)93.7(3441
2
Nd
1VmBnfNA44.4


109

7.35 DISEÑO DE UN TRANSFORMADOR EN BAJA FRECUENCIA
De 7.93 y 7.94 se obtiene:
N≤710 y d≥ 2.20 cm
c)CAPACIDAD DE POTENCIA
Para que el transformador pueda
manejar la potencia aparente
requerida se debe cumplir(7.92)
d≥2.19 cm
La capacidad de potencia no es la
condición limitante
d)MAXIMA EFICIENCIA
Ph=Pcu
Ph=Vol hierro X peso especifico
xPerdidas por unidad de peso
B m
JfK
u
22.2
S
aWnA 
)95.7(
2.1*280*6.0*60*22,2
10
4
*500
10
8
*d
4
8



RTI
2
Pcu 
FCTRPUN2LME
T
R 
110

)96.7(08.1*
6
10*209*710
*2*)848.7d6(16.5
cu
P


3
d26núcleodelVol 
)109.0*9*2d(2
)109.0*9*2d2(2LME


)97.7(gr/w845.*
3
cm/gr8*
3
d26
h
P 
Igualando 7.96 y 7.97 se obtiene:
d=
111

Fig.7.55 Bobinado
Se debe examinar la limitación del
incremento de temperatura para N=710
espiras y d=2.20 cm. y para ello se
deben calcular las pérdidas de potencia
en el cobre y en el núcleo.
d)PERDIDAS EN EL COBRE
RT=Resistencia del bobinado primario
más el secundario
LME=Longitud de la espira promedia
RPU=Resistencia por unidad de
longitud del alambre AWG 18
FCT=Factor de corrección por
temperatura=1.08
N=710 espiras
Nb=Número de capas del bobinado
LME=21.04 RT =6.74Ω
RTI
2
Pcu 
cm
6
10209


FCTRPUN2LME
T
R 
w8.3474.6x
2
220
500
Pcu 




cm109.0cond
d
186.17
d4
cond
dN2
bN




)109.0*9*2d(2
)109.0*9*2d2(2LME


112

Fig.7.55 Bobinado
d)PERDIDAS EN EL HIERRO
Volumen del núcleo
Peso=Vol x peso especifico
Ph=PPUPxP
PPUP=Pérdidas por unidad de
peso=
Ph= 2 w
e)PERDIDAS TOTALES
PT =Pcu+Ph
PT=36.8 w
.gr2.2385P
3
cm/gr8
3
cm294P


3
cm298
3
d28Vol
3
d42dd6d6Vol


gr/W
3
10845.0


113

Fig.7.56 Área de refrigeración
2cm8.3092d64 
e)INCREMENTO DE TEMPERATURA
Área del núcleo=
Área de la bobina=
2
cm9.613
t
A 
2
cm12.304
2
d20
2
d4
2
d16
2
2
d
2
2
d32
d4d4

























2
cm9.613
w36,4
t
A
totalesPérdidas

2
cm/W007.0
Del nomograma(fig 7.51) ΔT ≈ 8ºC
Para una temperatura ambiente de
25°C
114

7.35 DISEÑO DE UN TRANSFORMADOR EN ALTA FRECUENCIA(4)
Fig. 7.57 Transformador.
Fig. 7.58 J y del núcleo
E-E en función de a.(4)
spP
Características del transformador
(senoidal)
v300pV  A3pI 
C
o
40aT;C
o
100f
maxsT;KHz100f


4sNpN 
1) Potencia aparente.
VA900pIpVS 
2) Selección del núcleo.
Para 100KHz, el material es la
ferrita 3F3 y el núcleo adecuado
es E-E. Se asume un a= 1 cm.
Para este núcleo, con las
condiciones térmicas dadas :
2
mmA6J,T131,0mB 
3,0u
K  (alambre litz)
De 7.82
11
10x)6)(13,0)(22,2(
8
10x900
nAaW 
4
cm72,1
115

Fig. 7.59 Arrollamiento del
transformador.(4)
El núcleo E-E con a = 1 cm tiene
un (Fig. 7.25), la
preselección (a = 1) es correcta.
1.2nAaW 
3) Calculo de la densidad máxima
de potencia disipada permisible.
El calculo es idéntico al del
diseño del inductor.
3
cmmW237spP 
No se consideran pérdidas por
corrientes parasitas.
4) Cálculo de máxima, de
y .
De 7.75
nB
pN sN
mT173n
Bca
B 
De 7.34
173,0x
4
10x5,1x
3
10x100x44,4
300
pN


26pN 
5.6
4
26
sN 
Se asume espiras y
para que
sea menor a 0,17T
7sN 
28pN  núcleoB
116

7.36 TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS
a) Transformador de corriente.
b) Transformador de voltaje.
Fig. 7.60Transformadores de
instrumentación.
Transformadores para medir
corriente (TC) y voltaje (TV) que
se requieren para la
instrumentación de electrónica de
potencia.
Características del TC :
a) Alta relación de
transformación
b) muy grande para que
i < y
c) Tamaño reducido.
d) Núcleo toroidal sin
entrehierro y alta
e) No debe trabajar en vacío.
f) Carga constante.
Características del TV :
a) Alta relación de
transformación
b) pequeña. Se utilizan
núcleos tipo pote.
c) Tamaño reducido.
)1pN( 
m
L
mi 1i
2
N1N2i 
).sNpN( 
d
L
El análisis y diseño es el de un
transformador convencional.

117

7.37 ANALISIS DEL TRANSFORMADOR DE CORRIENTE(2)
a) Circuito.(2)
b) Circuito equivalente visto
desde el secundario.(2)
Fig. 7.61 Transformador de corriente.
f
cm
56,8r 
Para medir una corriente senoidal
máxima de 5A, se utiliza un TC
con y
espiras de alambre
AWG 34. Se utiliza un núcleo
1pN 
500sN 
toroidal de material tipo cinta con
las siguientes medidas :
2
cm16,0nA,T8,1sB 
o
4
10 
Longitud de espira media : 2 cm.
Se pide mínima para :
a) Alcanzar la saturación.
b) Presentar un error del 3%
Solución :
El A.O
cortocircuita secundario


 56,8
3
10x56,8x2x500uR
Para el AWG 34
6
10x16x
4
10x
7
10x4
2
10x6
nA
ml
m







)VV( 
,cm6cl 
118

H84,0
4
10x8,29
2
)500(
mR
2
sN
smL 
p,mVcuR
sN
pN1i
cuR
p2ip,sV 
v086,0
500
56,8x5

a)De la condición de saturación
(7.27)
 
2
T
0
r
Bdt
s
V
n
A
s
N
1
s
B
Se asumen---------
sB3,0rB 
nAsN)rBsB(
w
T
0
dtwtsen086,0 
  6
10x16x500x26,10wtcos
w
086,0 



m
2
pN
2
pN
sN
pmL
2
pN
sN
smL


















De (7.25)
a) Circuito.(2)
119

b)
p
'
2
i03,0
smLw
p,m
V
p,m
I 
500
5
x03,0
84,0xw
086,0

Hz7,2
s
rad
17w 
a) Circuito.(2)
120

BIBLIOGRAFIA
1).Agrawal POWER ELECTRONIC SYSTEMS Theory and design.2001
Editorial Prentice- Hall
2)Kassakian J.G.; Schlecht M.F.;Verghese G.C. PRINCIPLES OF POWER
ELECTRONICS 1995. Editorial Addison-Wesley
3)P T. Krein ELEMENTS OF POWER ELECTRONICS 2000
4)Mohan N;Undeland T.M.;Robbins W.P. POWER ELECTRONICS 2003
Editorial John Wiley & sons In
5)Magnetics(Fábrica de núcleos magnéticos) POWER TRANSFORMER AND
INDUCTOR DESIGN
1995
6)G.R.Slemon .MAGNETOELECTRIC DEVICES.TRANSDUCERS,
TRANSFORMERS AND MACHINES.1966.Editorial John Wiley and @sons
7)Erickson R.W. Maksimovic D. FUNDAMENTALS OF POWER
ELECTRONICS. Editorial Kluwer Academic Publishers 2003
8)Jain A.K;Ayyanar. R. POWER ELECTRONICS disponible en Internet
Octubre 2010.http://pdf catch.net/ebook/power+electronics
9)McLyman W.T.Transformer and Inductor design Hanbook.Editorial Marcel
Dekker 1978.
10)Universidad de Sevilla.Electrónica de Potencia.CONTROL TERMICO DE
LOS SEMICONDUCTORES.Consulta a Internet Mayo 2009. .
http://iecon02.us.es/~leopoldo/Store/tsp_7.pdf
121

ACTIVIDADES
TEORIA
Responder las siguientes preguntas, argumentando la respuesta.
1º) ¿Por qué se utilizan los componentes magnéticos en los
convertidores de Electrónica de Potencia?
2º) Describir el proceso para determinar la corriente que circula por un
componente magnético, utilizando las ecuaciones de Maxwell,
cuando se aplica un voltaje.
3º) Deducir para un inductor toroidal, el valor de la inductancia.
4º) Demostrar que la corriente, que absorbe un inductor ideal, que
opera en condición de saturación, es infinita.
5º) Aplicar el concepto de reluctancia al cálculo de la inductancia de
un inductor con núcleo E-I sin entrehierro.
6º) Deducir el valor de la inductancia de un inductor de núcleo con
entrehierro.
7º) Justificar los efectos del entrehierro en un inductor.
8º) ¿Qué modela la inductancia magnetizante?¿Cual es el valor
teórico? ¿Cómo se determina experimentalmente?
9º) ¿Qué produce la saturación del transformador? ¿Cuáles son los
efectos de la saturación?
10º) ¿Qué modela la inductancia de dispersión? ¿Cuál es su valor
teórico?
11º) Describir cada uno de los mecanismos de perdidas en
dispositivos magnéticos.
12º) Cuáles son los factores que afectan: a) Las pérdidas por
histéresis; b) Las pérdidas por corrientes parasitas en el núcleo; c)
Las pérdidas en el cobre por efecto piel.
13º) Dibujar el modelo circuital de un inductor real y proponer un
procedimiento experimental para determinar los parámetros del
modelo.
14º) Deducir la caída de voltaje, que ocurre en un inductor lineal: a)
Cuando se excita con un voltaje senoidal Vm, de frecuencia f;
b) Cuando se excita con un voltaje alterno rectangular V, de
frecuencia f.
15º) ¿Por qué los núcleos magnéticos se caracterizan por el área –
producto?
122

16º) ¿Cuáles son los criterios básicos que deben tenerse en cuenta
en el diseño de un inductor?
17º) ¿Por qué se establece un límite al valor de la J que conduce el
conductor de un bobinado?
18º)¿Bajo que condiciones, el entrehierro de un núcleo almacena el
90% de la energía magnética?
19º) ¿Qué es el factor de utilización de un bobinado y para que se
utiliza?
20)¿cual es el criterio para optimizar los núcleos?
21)Describir los mecanismos de transferencia de calor por conducción
,convección y radiación. ¿Por qué interesan en el diseño de un
componente magnético?¿Cuales mecanismos son los dominantes
y por que?¿cómo se define resistencia térmica?
22)¿Cómo se relaciona el incremento de temperatura con las
pérdidas de un componente magnético?¿Cual es el criterio de
máxima eficiencia? Demostrarlo
23) ¿Por qué en el diseño de un componente magnético se debe
reducir la densidad de campo magnético al incrementar la frecuencia?
24) ¿Qué son los parámetros efectivos de un núcleo?
25) ¿Existe diferencia entre los criterios básicos de diseño de un
inductor y un transformador? Si la respuesta es positiva, cuáles son.
26) ¿Cómo se determina el incremento de temperatura de un
componente magnético?
27)Si la corriente presenta una componente continua ¿cómo afecta al
diseño del componente magnético?
28)Enumerar y justificar los efectos del entrehiero sobre: a)Curva de
histerésis; b)Distribución del campo en el entrehierro
29)¿Cuáles son los criterios de diseño de :a)Inductor sin entrehierro;
b)Inductor con entrehierro?
30) )¿Cuáles son los criterios de diseño de :a)Transformador en baja
frecuencia; b)Transformador en alta frecuencia con corriente con
componente DC?
31)Demostrar que en un transformador cuyos bobinados ocupan
volúmenes iguales ,las pérdidas de potencia debidas al cobre son
iguales.
123

32)Deducir la expresión para la potencia aparente de un
transformador en función del área-producto
33) Que son transformadores de instrumentos.
34) Cuáles son los conceptos básicos de diseño de:
a) Un transformador de corriente.
b) Un transformador de voltaje.
35) Describir el proceso que ocurre en un transformador de corriente
cuando este opera en vacío.
36) Cuál es su opinión en relación a la siguiente afirmación: “La
impedancia de un componente magnético depende del voltaje
aplicado.”
37) ¿Por qué se utilizan las ferritas como núcleos de los componentes
magnéticos que operan a alta frecuencia? Cuáles son las desventajas
de los núcleos de ferrita.
38) ¿Por qué en los componentes magnéticos que trabajan con
frecuencia variable, al variar la frecuencia se debe cambiar el voltaje
aplicado?
124

1º) Determinar para el núcleo E-I
de acero al silicio,de la figura
adjunta con g = 0 cm, el valor d
para construir un inductor con
inductancia de 10mH, I = 10 A.
(Corriente alterna senoidal), f =
60Hz, ΔT = 40º C.
2º) Cuál seria el valor de g que
permite obtener para el inductor
anterior un L = 7mH con I= 10 A?
3) El campo magnético principal del
reactor de fusión del MIT tiene las
siguientes características L= 350H;
R= 133Ω; Imáx.= 1.39A. Utilizando un
núcleo de ventana cuadrado con
entrehierro (Problema 3), un
Bmáx.=1.2T; un Ku= 0.5 e ignorando
el efecto de dispersión del flujo en
el entrehierro, se pide diseñar el
inductor optimizando el peso total
del cobre y del hierro.
PROBLEMAS
Problemas 1 y 2
Problema 3
125

PROBLEMAS
Problema 4
Problema 5
4) El transformador de la figura
adjunta opera a 115 V,60 hz. El
voltaje del secundario es de 500
V. Todas las dimensiones del
núcleo están en cm. El valor
operativo de la densidad de flujo
es 1.4T.El factor de
apilamiento(indica el porcentaje
del área ocupado por el material
magnético)del núcleo es 0.95.Se
pide :a)Número de espiras del
primario y del secundario ;b)
Asuma Ku=0.45 y J=2A/mm2 y
Determine la potencia
aparente;y las pérdidas de
po tencia a corriente nominal.
5)Para el autotransformador de
la figura, se utiliza alambre de
sección cuadrada con
aislamiento de espesor de 0.25
mm y se utiliza una
J=1A/mm2.Se opera con
densidad de flujo magnético de
1.5 T. El voltaje de salida varía
entre 0 y 115 V
Se pide determinar:
a)Número d espiras
b)El valor d en cm
m10
8
*2 


126

6) El voltaje requerido para
iniciar el arco en un soldador
eléctrico varía entre 50 y 70 V.
Una vez iniciado el arco se
requiere mantener un suministro
de corriente constante.
La figura adjunta muestra un
transformador de 2 bobinados
que se utiliza como soldador.
Para limitar la corriente de
carga, se ubican los devanados
separados, para proveer una
trayectoria de baja reluctancia,
al flujo de dispersión entre los
arrollamientos primario y
secundario. Se pide:
a)Deducir un circuito equivalente
para el transformador
suponiendo µ=infinito, y
resistencias despreciables.
b)Si V=115V,f=60hz, determinar
el voltaje en el secundario y la
corriente de corto circuito.
c)Si se modela el arco como una
resistencia variable con la
longitud cual es la máxima
potencia entregada(15.5 Kw)
PROBLEMAS
Problema 6
127

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