Grado en Ingeniería en Tecnologías y Servicios de Telecomunicación

Curso Cuarto

1. Identificación de la asignatura

2. Contextualización

La asignatura “Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia” pertenece a la materia "Sistemas Electrónicos Analógicos" y es una asignatura específica de la mención “Sistemas Electrónicos” que es continuación lógica de la asignatura  común de la rama  de telecomunicación “Conversión de Energía Eléctrica”. Además de hacer hincapié en aspectos tecnológicos de la electrónica de potencia escasamente abordados en la asignatura “Conversión de Energía Eléctrica” (circuitos de mando y selección de componentes de potencia, cálculo de componentes magnéticos, componentes de protección, etc.), en la asignatura “Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia” se aborda el estudio de algunos tipos de convertidores no abordados en la anterior asignatura (convertidores continua-continua no estudiados previamente, rectificadores monofásicos con baja inyección de armónicos, rectificadores polifásicos controlados, controladores de fase, etc.) y se profundiza en el diseño de los convertidores propios de los sistemas de alimentación de equipos electrónicos, llegando a abordar el modelado dinámico de los convertidores continua-continua. Finalmente, se describen varias arquitecturas de sistemas de conversión de energía de especial importancia por su frecuente uso.  

Por otra parte, en esta asignatura también se pretende ayudar a mejorar las capacidades horizontales del alumnado en comunicación y exposición de materias técnicas en lengua inglesa. Para ello, cada alumno realizará la exposición en esta lengua de un trabajo individual realizado sobre un tema directamente relacionado con el análisis del funcionamiento de los convertidores electrónicos de potencia. A modo de guía para la realización de dichas exposiciones, se programarán algunas clases teóricas sobre la realización de exposiciones técnicas en lengua inglesa.

3. Requisitos

Conocimientos previos de electrónica y teoría de circuitos:

La asignatura "Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia" es continuación lógica de la asignatura común de la rama de telecomunicación “Conversión de Energía Eléctrica”, por lo que es muy recomendable para la correcta asimilación de la primera asignatura el conocimiento de los temas tratados en esta última.  Asimismo, son fundamentales los conocimientos generales adquiridos en las siguientes asignaturas: 

- Teoría de Circuitos.

- Dispositivos Electrónicos y Fotónicos.

- Fundamentos de Electrónica Analógica.

Finalmente, es conveniente que el alumno haya cursado ya la signatura “Diseño de Sistemas Electrónicos Analógicos” como refuerzo en el conocimiento de los circuitos analógicos.

Conocimientos previos de lengua inglesa:

Es recomendable que el alumno que curse esta asignatura tenga un conocimiento general de la lengua inglesa en la competencia de expresión oral, equivalente al nivel B2, de acuerdo con el baremo del Marco Común Europeo de Referencia para las Lenguas.

4. Competencias y resultados de aprendizaje

COMPETENCIAS ASIGNADAS

Específicas:

• Capacidad para aplicar la electrónica como tecnología de soporte en otros campos y actividades, y no sólo en el ámbito de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (competencia CSE4).
• Capacidad de diseñar circuitos de electrónica analógica, de radiofrecuencia, de alimentación y conversión de energía eléctrica para aplicaciones de telecomunicación y computación (parte de la competencia CSE5).

Genéricas:

• CG2 - Conocimiento, comprensión y capacidad para aplicar la legislación necesaria durante el desarrollo de la profesión de Ingeniero Técnico de Telecomunicación y facilidad para el manejo de especificaciones, reglamentos y normas de obligado cumplimiento.
• CG3 - Conocimiento de materias básicas y tecnologías, que le capacite para el aprendizaje de nuevos métodos y tecnologías, así como que le dote de una gran versatilidad para adaptarse a nuevas situaciones.
• CG4 - Capacidad de resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, creatividad, y de comunicar y transmitir conocimientos, habilidades y destrezas, comprendiendo la responsabilidad ética y profesional de la actividad del Ingeniero Técnico de Telecomunicación.
• CG6 - Facilidad para el manejo de especificaciones, reglamentos y normas de obligado cumplimiento.
• CG7 - Capacidad de analizar y valorar el impacto social y medioambiental de las soluciones técnicas.

RESULTADOS DE APRENDIZAJE

• RA-11.15. Seleccionar los dispositivos semiconductores y los condensadores de potencia para una aplicación conocida.
• RA-11.16. Calcular los componentes magnéticos de potencia (bobinas y transformadores) para una aplicación conocida.
• RA-11.17. Comprender el funcionamiento de los rectificadores monofásicos y trifásicos controlados y semicontrolados y calcular las tensiones y corrientes en sus componentes.
• RA-11.18. Comprender el funcionamiento de los convertidores CA/CA monofásicos sin cambio de frecuencia y calcular las tensiones y corrientes en sus componentes.
• RA-11.19. Realizar un diseño completo de la etapa de potencia de un convertidor CC/CC y de su circuito de mando, así como obtener un modelo de pequeña señal del mismo que permita cerrar su lazo de control.
• RA-11.20. Comprender los problemas que acarrea a la red de distribución de energía eléctrica la inyección de los armónicos de corriente de baja frecuencia generados por cargas electrónicas (no lineales), aplicar la normativa que limita dicha inyección y proponer soluciones.
• RA-11.21. Analizar el funcionamiento de algunos sistemas electrónicos de potencia sencillos.

OBJETIVOS

• Se capaz de seleccionar los dispositivos semiconductores, condensadores y de protección y construir los componentes magnéticos utilizados en convertidores electrónicos de potencia.
• Ser capaz de realizar el diseño completo de un convertidor continua-continua. Esta capacidad incluye la selección y cálculo de todos sus componentes de potencia y de mando, la construcción de los componentes magnéticos y el cierre de su lazo de realimentación basado en un modelo dinámico del mismo.
• Ser capaz de extender la anterior capacidad a los convertidores alterna-continua monofásicos con corrección del factor de potencia.
• Conocer el funcionamiento de algunos de los convertidores electrónicos de potencia no estudiados en la asignatura “Conversión de Energía Eléctrica”.
• Comprender las funciones de los diversos convertidores que forman parte de varios ejemplos de cadenas de conversión de energía eléctrica de especial interés, de tal forma que el alumno sea capaz de evaluar dichos convertidores y especificarlos.

5. Contenidos

BLOQUE TEMÁTICO 1: Componentes Electrónicos de Potencia

- Circuitos de mando: Tipos de circuitos de mando. Circuitos de frecuencia constante y ciclo de trabajo variable. Análisis de un ejemplo de circuito de mando de frecuencia constante.  Circuitos de frecuencia variable y tiempo de conducción constante.

- Selección de dispositivos electrónicos de potencia: Curvas para la selección de diodos de potencia. Curvas estáticas para selección de Transistores MOSFET de potencia. Estudio de la conmutación de los transistores MOSFET de potencia. Curvas estáticas y dinámicas para la selección de transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs). El Rectificador Controlado de Silicio (SCR). El Tiristor apagado por puerta (GTO). El triodo de corriente alterna (TRIAC).

- Diseño de componentes magnéticos para convertidores electrónicos de potencia: Ecuaciones generales. Diseño de bobinas. Diseño de transformadores. Integración magnética.

BLOQUE TEMÁTICO 2: Conversión Continua-Continua

 - Diseño de convertidores CC/CC sin aislamiento galvánico en régimen estático: Modo de conducción de un convertidor continua-continua. Diseño del convertidor reductor. Diseño del convertidor elevador. Diseño del convertidor reductor-elevador. El convertidor SEPIC. El convertidor de Cuk.

- Diseño de convertidores CC/CC con aislamiento galvánico en régimen estático: Incorporación de aislamiento galvánico con un transformador. Diseño del convertidor directo. El convertidor de Cuk con transformador. Incorporación de aislamiento galvánico con bobinas de devanados múltiples. Diseño del convertidor de retroceso. El convertidor SEPIC con aislamiento galvánico.

- Diseño de convertidores CC/CC con varios transistores en régimen estático: El convertidor directo con enclavamiento activo. Diseño del convertidor en medio puente. Diseño del convertidor simétrico (“Push-Pull”). Diseño del convertidor en puente completo.Convertidores bidireccionales.

- Diseño de convertidores CC/CC en régimen dinámico: Modelado dinámico de convertidores CC/CC en modo continuo de conducción. Modelado dinámico de convertidores CC/CC en modo discontinuo de conducción. Diseño de reguladores para convertidores CC/CC.

BLOQUE TEMÁTICO 3: Otras Conversiones y Arquitecturas

- Convertidores CA/CC monofásicos con baja inyección de armónicos en red: Concepto de emulador de resistencia. Emuladores de resistencia controlados por multiplicador analógico. Otros emuladores de resistencia.

- Rectificadores controlados: Rectificadores controlados de media onda. Rectificadores controlados de onda completa. Rectificadores controlados usados como inversores no autónomos. Rectificadores semicontrolados.

- Conversión alterna-alterna sin cambio de frecuencia: El controlador de fase. Aplicaciones del controlador de fase.

- Ejemplos de arquitecturas de sistemas electrónicos de potencia: Sistemas de alimentación para equipos de telecomunicaciones. Convertidores para control de motores de colector. Convertidores para motores de inducción. Convertidores para iluminación.

Presentaciones con los contenidos técnicos detallados de la asignatura se pueden encontrar en la siguiente dirección: 

http://www.unioviedo.es/sebas/D_Sistemas_Electronicos_de_Potencia.htm

PREPARACIÓN DE EXPOSICIONES EN LENGUA INGLESA

- Breve introducción a elementos básicos de las exposiciones orales: estructura, marcadores del discurso, técnicas vocales, lenguaje referencial aplicado a los soportes visuales, etc.

6. Metodología y plan de trabajo

Los contenidos técnicos de la asignatura se han dividido en tres bloques temáticos. En cada uno de ellos  se incluyen clases de explicación de contenidos teóricos y de resolución de problemas.

Todos los alumnos realizarán una única práctica de laboratorio que se extenderá durante todo el horario destinado a este fin. La práctica consistirá en el diseño y construcción por cada alumno de un convertidor continua-continua. La construcción se irá realizando por etapas, con la consiguiente comprobación del funcionamiento de las distintas partes del convertidor, realizando la integración completa de dichas partes, llegando a calcular su modelo dinámico y a cerrar el lazo de realimentación de acuerdo a dicho modelo. Una vez construido, será sometido a las pruebas necesarias para poder caracterizar su funcionamiento estática y dinámicamente.

Asimismo, a cada alumno se le asignará un trabajo directamente relacionado con la materia impartida en cualquiera de los bloques temáticos. Este trabajo será presentado tanto en forma escrita como oral, en ambos casos en lengua inglesa. La evaluación numérica de dicho trabajo se realizará esencialmente en base a los contenidos técnicos. Sin embargo, el alumno también recibirá una evaluación de sus competencias en el uso oral de la lengua inglesa en el trabajo que exponga.

Para mejorar las competencias lingüísticas de los alumnos en la exposición de los trabajos, se han programado una o dos clases teóricas a impartir por profesorado del Departamento de Filología Anglogermánica y Francesa, Área de Filología Inglesa. Este mismo profesorado colaborará en la evaluación lingüística de las exposiciones orales. 

Con relación a la parte estrictamente técnica de la asignatura, durante el curso se impartirán 2,7 créditos de clases teóricas, 0,7 de prácticas de aula, 1,4 de prácticas de laboratorio y 0,2 de tutorías grupales. Asimismo, con relación a la parte dedicada a la mejora de las capacidades lingüísticas en inglés, se impartirán 0,1 o 0,2 créditosde clases expositivas teóricas (dependiendo del número de alumnos matriculados en la asignatura) y 0,7 o 0,6 créditos de clases expositivas dedicadas a la evaluación de las exposiciones orales.

7. Evaluación del aprendizaje de los estudiantes

Criterios generales de evaluación del aprendizaje de los estudiantes

- Selección correcta de componentes de los circuitos de potencia y cálculo de sus componentes magnéticos.

- Cálculo detallado de convertidores continua-continua en muy distintas situaciones de trabajo (variación de la tensión de entrada, de la carga, de la frecuencia de conmutación, del valor de la bobina, etc.).

- Determinación de las características dinámicas de los convertidores continua-continua en función del tipo de convertidor y del modo de trabajo.

- Cálculo de convertidores alterna-continua con corrección del factor de potencia en muy distintas situaciones de trabajo (variación de la tensión de entrada, de la carga, de la frecuencia de conmutación, del valor de la bobina, etc.).

- Análisis del funcionamiento de rectificadores polifásicos (controlados y semicontrolados) y de controladores de fase, en función del ángulo de disparo de los SCRs y de los TRIACs, respectivamente.

- La capacidad de montaje y puesta en marcha de circuitos electrónicos.

- La destreza en el manejo del instrumental del laboratorio.

- Recopilación autónoma y síntesis de información técnica sobre convertidores conmutados.

- Realización de presentaciones técnicas en lengua inglesa sobre temas específicos de electrónica de potencia.

Instrumentos y procedimientos de evaluación

La evaluación de los conocimientos adquiridos por los estudiantes se realizará de acuerdo al siguiente procedimiento:

- a) Valoración del informe realizado sobre el convertidor diseñado y construido en las clases prácticas.   (20% de la calificación final). La calificación obtenida en las clases prácticas computará en la nota final de aquellos alumnos que hayan obtenido una calificación mayor o igual a tres puntos (sobre diez puntos posibles) en el examen escrito de la asignatura. Esta calificación se conservará en las convocatorias de un mismo curso académico.

- b) Valoración del trabajo individual asignado al estudiante (20% de la calificación final). La calificación obtenida en el trabajo individual computará en la nota final de aquellos alumnos que hayan obtenido una calificación mayor o igual a tres puntos (sobre diez puntos posibles) en el examen escrito de la asignatura. La calificación valorará el trabajo escrito y la exposición oral en inglés de dicho trabajo. El profesorado del Área de Filología Inglesa colaborará en la evaluación de la exposición oral. La calificación obtenida se conservará exclusivamente en las convocatorias de un mismo curso académico.

- c) Examen final (60% de la calificación final).Constará de bloques de cuestiones teóricas y prácticas correspondientes a cada uno de los bloques temáticos.

8. Recursos, bibliografía y documentación complementaria

[1]- S. Martínez y J. A. Gualda. "Electrónica Industrial: Técnicas de Potencia". Editorial Marcombo.

[2]- R. W. Erickson y D. Maksimovic. "Fundamentals of Power Electronics". Editorial Kluwer Academic Publishers.

[3]- N. Mohan, T. M. Undeland y W. P. Robbins. "Power Electronics: Converters, Applications and Design". Editorial John Wiley and Sons.

[4]- M. H. Rashid. "Power Electronics, Circuits, Devices and Applications". Editorial Prentice Hall.

[5]- D. W. Hart. "Electrónica de Potencia". Editorial Prentice Hall.

[6]- Grussendorf, M., 2007, English for Presentations. Oxford: OUP. ISBN: 978-0194579360.