Tema 4.1 (2013)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación - 2º curso
Asignatura Funciones y Sistemas Electronicos
Año del apunte 2013
Páginas 12
Fecha de subida 12/11/2014
Descargas 1
Subido por

Vista previa del texto

1. Introducció als sistemes d’alimentació FISE T4 - 3 Sistema d’alimentació: és el sistema que proporciona l’energia elèctrica de la  forma adequada per fer funcionar un dispositiu, circuit o aparell.
Alimentació Entrada Circuit electrònic Sortida  TOTS els circuits electrònics vistos fins ara requereixen d’una alimentació  específica.
 En general, els circuits s’alimenten amb una tensió contínua i consumeixen un determinat corrent elèctric.
 La resta d’aparells i equips elèctrics/electrònics també han d’alimentar‐se.
FISE 1. Introducció als sistemes d’alimentació T4 - 4 Sistema d’alimentació: FONT  D’ENERGIA CONVERTIDOR  ELECTRÒNIC CÀRREGA o  RECEPTOR Les càrregues es poden dividir en dues categories: • De tensió contínua: p.e. els circuits electrònics en general.
• De tensió alterna: p.e. els motors d’alterna.
Les fonts d’energia també poden ser de: •Tensió contínua: bateries, panells solars, piles de combustible, etc.
•Tensió alterna: xarxa elèctrica, aerogeneradors, grups electrògens, etc.
Els convertidors són circuits específics que condicionen adequadament la energia elèctrica obtinguda de la font per a que pugui ser usada per la càrrega.
FISE Piles i bateries 1. Introducció als sistemes d’alimentació T4 - 5 Circuits electrònics Panells solars Motors Convertidors electrònics: AC‐DC DC‐DC DC‐AC Xarxa elèctrica FISE Aparells portàtils 1. Introducció als sistemes d’alimentació Exemple: Alimentació sense bateries d’un sistema de mesura de la pressió  dins dels neumàtics d’un automòbil Font d’energia: • Moviment de rotació de la roda (energia  cinètica).
• Generador piezoelèctric que genera una càrrega  elèctrica cada cop que la seva posició dins del  neumàtic contacta amb el terra.
T4 - 6 1. Introducció als sistemes d’alimentació FISE T4 - 7 Exemple: Alimentació sense bateries d’un sistema de mesura de la pressió  dins dels neumàtics d’un automòbil Càrrega a alimentar: • Circuit electrònic que mesura la  pressió i envia la informació via  radio a la consola del conductor.
• Es fa la mesura i s’envia la  informació de forma periòdica i  no contínua per reduir el  consum d’energia (consum  constant durant molt poc temps  cada 1 o 2 minuts).
Convertidor electrònic: • Ha d’entregar l’energia elèctrica a la càrrega en les condicions necessàries: tensió  contínua, corrent (potència) i en els instants concrets.
• Ha de complir el balanç energètic entre l’energia generada i l’energia consumida.
• Necessitat d’un emmagatzematge d’energia (en aquest cas, un condensador).
2. Fonaments d’Electrotècnia FISE Potència instantània: dE (t ) P(t )  dt (energia absorbida o entregada per unitat de temps) P(t )  V (t )  I(t ) Watts (W) Potència mitja: P 1 T V (t )  I(t ) dt T 0 Energia consumida o entregada en un interval de temps: t E  t 2 P(t )dt  Pmitja  (t2  t1 ) J (Joules) = Ws 1 1 kWh  1 kWh  1000 W 3600 s   3,6 MWs  3,6 MJ 1 kWh 1h T4 - 8 T4 - 9 2. Fonaments d’Electrotècnia FISE Contingut de energia equivalent 103 J 2,7∙10‐3 kWh Peu cúbic estàndard de gas natural (28,3 litres)   1,1∙106 J 0,3 kWh Lliura de carbó  (454 g) 1,6∙107 J 4,4 kWh Lliura de gasolina  2,2∙107 J 6,1 kWh Barril de cru (conté 159 litres)  6,1∙109 J 1,7∙103 kWh 3,7∙1013 J 1,0∙107 kWh Bateria AA  Lliura d’urani‐235  2. Fonaments d’Electrotècnia FISE Rendiment o eficiència d’un convertidor: i i(t) FONT  (%)  Po  100 Pi Pi  Po + v i(t) ‐ i o(t) CONVERTIDOR  + ELECTRÒNIC v o‐(t) CÀRREGA Po: Potència mitja entregada a la sortida Pi: Potència mitja absorbida a l’entrada Pi‐Po: habitualment potència dissipada en forma de calor Exemple: eficiència de conversió de potència elèctrica en llum d’una bombeta  Fluxe lluminòs (lumens)  100 Pi Incandescent: 12 lumen/W ( 20 %) Halògena: 24 lumen/W ( 40 %) CFL (fluorescent): 50 lumen/W ( 80 %) LED: 50 lumen/W ( 80 %) eficiència  T4 - 10 T4 - 11 2. Fonaments d’Electrotècnia FISE Potència (mitja) en contínua (DC): P  V I Potència en règim permanent sinusoïdal (AC): v ZL   RL  jXL  ZL e j i X L  0    càrrega inductiva   (  0) corrent endarrerit  respecte la tensió X L  0    càrrega capacitiva  (  0) corrent avançat  respecte a la tensió v (t )  Vp cos(t ) i (t )  Vp ZL cos(t   )  I p cos(t   ) P (t )  Vp cos(t )I p cos(t   )  21 VpI p cos   21 VpI p cos( 2t   ) potència constant  consumida potència fluctuant de valor mig nul T4 - 12 2. Fonaments d’Electrotècnia FISE Càrrega resistiva: =0 R 300 v(t) 200 0 P(t) 0 i(t) -200 Corrent en fase -300 v(t) = Vp cos(ωt)     (Vp=300) i(t) = Ip cos(ωt‐) = Ip cos(ωt)    v Z L   RL  jX L  Re j 0 i P(t) = v(t)∙i(t) cos  =1 T4 - 13 2. Fonaments d’Electrotècnia FISE Càrrega resistiva + inductiva: 45(Si R=L) R + jLω cos= 0,707 300 v(t) P(t) 200 0 0 Corrent endarrerit i(t) La càrrega torna  energia a la font -200 -300 v(t) = Vp cos(ωt)     (Vp=300) i(t) = Ip cos(ωt‐)   L  j arctan   v 2 2 2  R  Z L   RL  jX L  R  L  e i P(t) = v(t)∙i(t) 2. Fonaments d’Electrotècnia FISE Càrrega resistiva + capacitiva: R‐ j(1/C ω) 300 45 (Si R=1/C)               cos= 0,707 v(t) 200 P(t) 0 0 i(t) -200 Corrent avançat -300 v(t) = Vp cos(ωt)     (Vp=300) i(t) = Ip cos(ωt‐)   1  j arctan   v 2 2 2  RC  Z L   RL  jX L  R  C  e i P(t) = v(t)∙i(t) T4 - 14 FISE T4 - 15 2. Fonaments d’Electrotècnia Potència aparent (S): S  12 VpIp  VrmsIrms (VA) (kVA o kaveas) Potència activa(P): P  12 VpIp cos  VrmsIrms cos cos  és el  factor de  potència (W) Potència reactiva(Q): Q  12 VpIp sin  VrmsIrms sin (VAR) Càrregues resistives: només necessiten (consumeixen) potència activa Càrregues reactives: també necessiten potència reactiva (p.e. els motors que  són càrregues inductives) FISE 3. Generació, transport i distribució d’energia elèctrica Generació d’energia elèctrica: En realitat no es tracta de generació d’energia  sinó de transformació d’alguna altra energia en energia elèctrica Fenòmens físics transformadors: T4 - 16 FISE 3. Generació, transport i distribució d’energia elèctrica T4 - 17 Producció massiva en energies no renovables: FISE 3. Generació, transport i distribució d’energia elèctrica Producció massiva en energies renovables: T4 - 18 FISE 3. Generació, transport i distribució d’energia elèctrica T4 - 19 Producció d’energia elèctrica a Espanya i Europa (2010): FISE 3. Generació, transport i distribució d’energia elèctrica Transport  i distribució d’energia elèctrica: Per poder transmetre la mateixa potència (P=VI): ‐ s’eleva la tensió V en un factor n per enviar el corrent I/n ‐ menors pèrdues en els cables: Pdissipada cables= I2∙Rcables T4 - 20 FISE 3. Generació, transport i distribució d’energia elèctrica T4 - 21 Característiques del Sistema Elèctric Europeu: Tensions nominals més habituals: • En MAT (molt alta tensió): 132 kV, 220 kV, 400 kV i 1 MV.
• En AT (alta tensió): 30 kV, 45 kV i 66 kV.
• En MT (mitja tensió): 15 kV, 20 kV i 25 kV.
• En BT (baixa tensió): 400 V trifàsica i 230 V monofàsica.
Baixa tensió: • Freqüència nominal: 50 Hz • Número de fases: 3 (sistema trifàsic).
• Distribució monofàsica (actualment a 230 Vrms) solament en BT.
FONT  D’ALIMENTACIÓ  (Convertidor  electrònic) FISE EQUIP/ CIRCUIT 3. Generació, transport i distribució d’energia elèctrica Característiques de la xarxa elèctrica al mon T4 - 22 FISE 3. Generació, transport i distribució d’energia elèctrica T4 - 23 Producció a petita escala: •Instal∙lacions d’energies renovables per alimentar vivendes unifamiliars o equips.
Exemples: ‐Panells solars per alimentar equips de  radiocomunicacions en llocs poc accessibles.
‐Aerogeneradors i panells solars per a  vivendes aïllades.
•Energy harvesting : aprofitament de qualsevol energia de l’ambient (energia  solar, energia cinètica, energia tèrmica, ...) per a aplicacions de molt baix consum Exemples: ‐Teixits intel∙ligents per alimentar sensors i  aparells portàtils.
‐Energia de vibracions de motors per alimentar  sensors que monitoritzen el seu funcionament.
‐Energia cinètica al caminar per alimentar  aparells portàtils.
FISE 3. Generació, transport i distribució d’energia elèctrica Emmagatzematge d’energia: •Si la generació d’energia no coincideix exactament en el temps amb el consum,  es necessita emmagatzemar l’energia sobrant.
•Quan el balanç entre l’energia generada i l’energia consumida és positiu,  l’energia sobrant pot emmagatzemar‐se.
•Quan el balanç entre l’energia generada i l’energia consumida és negatiu, es  necessita el suport d’algun altra font d’energia.
Exemples: ‐Xarxa elèctrica es regula en bona part  amb les  centrals hidroelèctriques  (energia emmagatzemada en forma  d’aigua als embassaments) .
‐Energia química de les bateries d’una instal∙lació  solar fotovoltaica.
T4 - 24 FISE 4. Sistemes fotovoltaics 4. Sistemes fotovoltaics (PV systems) 4.1. Fonaments de cèl∙lules solars 4.2. Components d’un sistema fotovoltaic 4.3. Dimensionat d’un sistema fotovoltaic aïllat de xarxa T4 - 25 ...