CONVERTIDORES DE AC-AC ELECTRÓNICA DE POTENCIA
CONTENIDO Introducción. Principios del Control Abrir y Cerrar.
Principios del Control de Fase. Controlador Trifásico de Media Onda y Onda Completa. Cicloconvertidor Monofásico y Trifásico.
Diseño de Convertidores de AC. Fuentes de Información.
INTRODUCCIÓN Para la transferencia de potencia, normalmente se utilizan 2 tipos de control: 1) Control de abrir y cerrar. 2) Control de ángulo de fase. En el control de abrir y cerrar, los tiristores conectan la carga a la fuente de AC durante unos cuantos ciclos de voltaje de entrada y a continuación la desconectan por unos cuantos ciclos más. En el control de ángulo de fase, los tiristores conectan la carga a la fuente de AC durante una porción de cada uno de los ciclos de voltaje de entrada.
INTRODUCCIÓN Los controladores de voltaje de AC se pueden clasificar en 2 tipos: 1) Controladores Monofásicos 2) Controladores Trifásicos Ambos se subdividen en:
a) Control de Media Onda b) Control de Onda Completa
INTRODUCCIÓN Los controladores de voltaje de AC suministran un voltaje de salida variable, pero la frecuencia del voltaje de salida es fija, además el contenido armónico es alto especialmente en el rango de voltajes de salida bajos. Se puede obtener un voltaje de salida variable a frecuencias variables a partir de conversiones de dos etapas: 1) De AC fija a DC variable. (Rectificadores Controlados) 2) De DC fija a AC variable. (Inversores).
INTRODUCCIÓN Sin embargo los cicloconvertidores pueden eliminar la necesidad de uno o más convertidores intermedios. Un cicloconvertidor en un cambiador de frecuencia directa que convierte la potencia de AC a una frecuencia en potencia de frecuencia alterna a otra mediante una conversión de AC a AC, sin necesidad de un eslabón de conversión intermedio. Éstos ciclocontroladores se dividen en: 1) Ciclocontroladores Monofásicos.
2) Ciclocontroladores Trifásicos.
PRINCIPIO DE CONTROL DE ABRIR Y CERRAR Se puede explicar en un controlador de onda completa monofásico. El tiristor conecta la alimentación de AC a la carga durante un tiempo tn; un pulso inhibidor de compuerta abre el interruptor durante un tiempo to. El tiempo activo, tn, está formado, por lo común, de un número entero de ciclos. Debido a la conmutación en voltaje y en corriente cero de los tiristores, las armónicas de conmutación son reducidas.
PRINCIPIOS DE CONTROL DE ABRIR Y CERRAR Para un voltaje senoidal de entrada
Si el voltaje de entrada está conectado a la carga durante n ciclos, y desconectado durante m ciclos, el voltaje rms de salida (o de la carga) se puede determinar a partir de:
Donde k = n / (m + n), y se conoce como el ciclo de trabajo; Vs es el voltaje rms de fase.
PRINCIPIOS DE CONTROL DE FASE Se puede explicar haciendo referencia a un controlador monofásico de media onda, adecuado sólo para cargas resistivas.
El flujo de potencia hacia la carga queda controlado, retrasando el ángulo de disparo del tiristor T1. Debido a la presencia del diodo D1, el rango del control está limitado y el voltaje rms efectivo de salida sólo puede variar entre 70.7 y 100%.
PRINCIPIOS DE CONTROL DE FASE El voltaje de salida y la corriente de entrada son asimétricos y contienen una componente de DC. Si hay un transformador de entrada, puede ocurrir un problema de saturación. Dado que el flujo de potencia está controlado durante el semiciclo de voltaje de entrada, este tipo de controlador también se conoce como controlador unidireccional
PRINCIPIOS DE CONTROL DE FASE
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA En el siguiente diagrama se muestra un controlador trifásico de media onda con carga resistiva conectada en estrella. El flujo de corriente hacia la carga está controlado mediante los tiristores T1, T3 y T5; los diodos proporcionan la trayectoria de corriente de regreso. La secuencia de disparo de los tiristores es T1, T3, T5. Para que fluya la corriente a través del controlador de corriente, por lo menos un tiristor debe conducir. El tiristor conducirá si su voltaje de ánodo es más alto que el de cátodo y se dispara. Una vez que el tiristor conduce, sólo puede desactivarse cuando su corriente disminuye a cero.
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA Si Vs es el valor rms del voltaje de entrada y definimos los voltajes instantáneos como:
Entonces los voltajes de línea de entrada son:
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA En las siguientes gráficas se muestran la formas de onda de para los voltajes de entrada, salida y ángulos de conducción de los dispositivos.
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA Si conducen 3 dispositivos, ocurre una operación normal trifásico y el voltaje de salida de una fase es igual al voltaje de fase de entrada. Las combinaciones posibles de conducción son: a) b) c)
Para 0° ≤ α ≤ 60°, dos tiristores y un diodo conducen. Para 0° ≤ α ≤ 60°, dos tiristores y un diodo conducen. Para 60° ≤ α ≤ 120°, un tiristor y dos diodos conducen.
Si conducen al mismo tiempo 2 dispositivos, la corriente fluye sólo a través de 2 líneas, la tercer línea se puede considerar como circuito abierto. El voltaje línea a línea aparecerá a través de 2 terminales de la carga y el voltaje de fase de salida será la mitad del voltaje de línea. Los pulsos de compuerta de los tiristores deberán ser contínuos.
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA La expresión para el voltaje rms de salida depende del ángulo de retraso: a)
Para 0° ≤ α ≤ 90°, el voltaje rms de fase de salida se determina de la siguiente manera:
b)
Para 90° ≤ α ≤ 120°, el voltaje rms de fase de salida se determina de la siguiente manera:
c)
Para 120° ≤ α ≤ 210°, el voltaje rms de fase de salida se determina de la siguiente manera:
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA En el caso de una carga en conexión delta, el voltaje de fase de salida deberá ser el mismo que el voltaje línea a línea. Sin embargo, la corriente de línea de la carga dependerá de la cantidad de dispositivos que conduzcan simultáneamente.
Si conducen 3 dispositivos, la corriente de línea y de fase seguirán la relación normal de un sistema trifásico. Si conducen al mismo tiempo 2 dispositivos, una terminal de la carga se puede considerar como circuito abierto.
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA Los dispositivos de potencia se pueden conectar juntos. Esta disposición, que permite un ensamble compacto, sólo es posible si se tiene acceso al neutro de la carga.
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA La operación de este controlador es similar a la de un controlador de media onda, excepto porque la trayectoria de corriente de regreso está dada por los tiristores T2, T4 y T6 en vez de los diodos.
La secuencia de disparo de los tiristores es T1, T2, T3, T4, T5, T6.
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA Si definimos los voltajes instantáneos de entrada por fase como:
Los voltajes instantáneos de línea de entrada:
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA En las siguientes gráficas se muestran la formas de onda de para los voltajes de entrada, salida y ángulos de conducción de los dispositivos.
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA Una vez disparado, conducen tres tiristores. Un tiristor se desconecta cuando su corriente intenta invertirse. Las condiciones se alternan entredós y tres tiristores en conducción:
a) Para 60° ≤ α ≤ 90°, sólo conducen dos tiristores en todo momento b) Para 90° ≤ α ≤ 150°, aunque conducen dos tiristores en todo momento, existen periodos en los que ningún tiristor está activo. c) Para α ≥ 150°, no hay ningún periodo para dos tiristores en conducción haciéndose el voltaje de salida cero en α = 150°. El rango del ángulo de retraso es: 0° ≤ α ≤ 150°
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA Al igual que los controladores de media onda, la expresión para el voltaje de fase rms de salida depende del rango del ángulo de retraso: a)
Para 0° ≤ α ≤ 60°, el voltaje rms de fase de salida se determina de la siguiente manera:
b)
Para 60° ≤ α ≤ 90°, el voltaje rms de fase de salida se determina de la siguiente manera:
c)
Para 90° ≤ α ≤ 150°, el voltaje rms de fase de salida se determina de la siguiente manera:
CONTROLADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA Los dispositivos de potencia de un controlador de onda completa se pueden juntar en una conexión. Este arreglo también se conoce como control de amarre y permite el ensamble de todos los tiristores en una sola unidad.
CICLOCONTROLADOR MONOFÁSICO El principio de operación se explica a continuaciób. Dos controladores monofásicos controlados se operan como rectificadores de fuente. Sin embargo, sus ángulos de retraso son tales que el voltaje de salida de uno es igual y opuesto al otro.
Si el convertidor P está operando solo, el voltaje promedio de salida es positivo; y si el convertidor N está operando, el voltaje de salida es negativo.
CICLOCONTROLADOR MONOFÁSICO La formas de onda para el voltaje de salida y las señales de compuerta de los convertidores positivo y negativo, con el convertidor positivo activo durante un tiempo TO/2 y el convertidor negativo operando durante un tiempo TO/2.
CICLOCONTROLADOR MONOFÁSICO Al igual que los convertidores duales, los valores instantáneos de salida pueden no resultar iguales. Es posible que circulen grandes corrientes armónicas entre ambos convertidores. Se puede eliminar la corriente circulatoria suprimiendo los pulsos de compuerta hacia el convertidor que no está suministrando corriente de carga. Un ciclocontrolador monofásico con un transformador con derivación central tiene un reactor intergrupo que mantiene un flujo continuo y también limita la corriente circulatoria.
CICLOCONTROLADOR TRIFÁSICO Los dos convertidores de AC a DC son rectificadores controlados trifásicos. El convertidor positivo opera durante la mitad del periodo de la frecuencia de salida y el convertidor negativo durante la otra mitad.
El análisis de este ciclocontrolador es similar al de los convertidores monofásico / trifásico.
CICLOCONTROLADOR TRIFÁSICO En la siguiente gráfica se muestra la forma de onda de salida para una frecuencia de salida de 12 Hz:
CICLOCONTROLADOR TRIFÁSICO El control de los motores de AC requiere de un voltaje trifásico a frecuencia variable. El cicloconvertidor se puede extender para suministrar una salida trifásica mediante seis convertidores trifásicos. Cada fase está formada por seis tiristores y se necesita un total de 18 tiristores.
DISEÑO DE CONVERTIDORES DE AC Convertidor AC-AC Monofásico de Onda Completa (Carga R)
DISEÑO DE CONVERTIDORES DE AC Convertidor AC-AC Monofásico de Onda Completa (Cargas R y L)
FUENTES DE INFORMACIÓN Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones Muhammad H. Rasid, Virgilio González y Pozo, Agustín Suárez Fernández Pearson Educación, 2004
