Aula 12 Convertidor CA CA Ver 3

LA MOTIVACIÓN: “WOW”

2

UNIDAD 5

CONTROLADORES DE VOLTAJE DE CA

CONTENIDO1. Introducción a la conversión alterna.-alterna

2. Conversión directa vs. rectificador+inversor

3. Clasificación de convertidores alterna-alterna

4. Reguladores de alterna

a. Control integral.

b. Control de fase

c. Reguladores totales.

d. Reguladores diferenciales.

5. Cicloconvertidores

6. Regulador de alterna con control integral

7. Regulador de alterna con control de fase

a. Unidireccional R

b. Unidireccional RL.

c. Bidireccional

19.3 Regulador de tiristores con cátodo común

19.4 Regulador con 1 tiristor y 4 diodos

19.5 Reguladores basados en transformadores con tomas3

• Demostrar la importancia de circuitos

controladores CA-CA.

4

Competencia

Objetivos

•Reconocer y resolver el funcionamiento de los

circuitos controladores CA-CA.

•Identificar el potencial de los circuitos

controladores CA-CA.

5

1. Controladores de CA

6

Introducción

• Un regulador de tensión alterna es un convertidor que controla latensión, la corriente y la potencia media que entrega una fuente a unacarga.

• La conmutación se produce según un esquema de conmutacióndenominado control de fase, lo que tiene como efecto eliminar parte dela forma de onda de la fuente antes de alcanzar la carga.

• El regulador de tensión alterna controlado por fase tiene diversasaplicaciones:

– circuitos atenuadores de intensidad luminosa

– control de velocidad de los motores de inducción

• El principio de funcionamiento del regulador de tensión monofásico concontrol de fase es similar al del rectificador controlador de media onda.

1 Convertidores alterna-alterna

Definición

•REGULADORES CAfrecuencia constante

•CICLOCONVERTIDORESfrecuencia variable

RECTIFICADORESControlados (tiristores)

No controlados (diodos)

Semicontrolados (mixtos)

INVERSORES

INTERRUPTORES ESTÁTICOS•De continua

•De alterna

CONTINUA

ALTERNA

CONVERTIDORESCC/CC

1. Introducción

Definición

Tensión alterna

(monofásica o

trifásica)

Tensión alterna en la

que se varía la

frecuencia, la amplitud

o ambas.

Convertidor alterna-alterna

Dispositivos semiconductores:

-No controlados (diodos)

-Controlados (tiristores)

Dispositivos pasivos:

-Bobinas/transformadores

-Condensadores

Control:

-analógico

-digital

1 Convertidores alterna-alterna

1. Introducción

Si la frecuencia de salida es mayor que la de entrada:

Rectificador Inversor

Si la frecuencia de salida es menor o igual que la de entrada:

Según la frecuencia de la tensión de salida:

•Reguladores de alterna: La frecuencia de la tensión aplicada a la carga se mantiene.

•Cicloconvertidores: La frecuencia de la tensión aplicada a la carga es distinta (menor).

18.3 Clasificación de convertidores alterna-alterna

2. Conversión directa vs. rectificador+inversor

Si la frecuencia de salida es igual que la de entrada:

Los reguladores de alterna controlan la tensión alterna entregada a la carga manteniendo la

frecuencia de la fuente primaria de energía. No necesitan bloqueo forzado.

Ug(t)

T1

T2L

R

iT1

iT2

uS(t)

Clasificación:

Según la técnica de control:

- Por control de fase.

- Por control integral.

Según los límites máximos:

- Reguladores totales.

- Reguladores diferenciales.

3. Clasificación de convertidores alterna-alterna

a. Control integral

Ug(t)

T1

T2L

R

iT1

iT2

uS(t)

El control se efectúa dejando pasar un número entero de semiciclos. El contenido armónico

introducido en la red es mucho más reducido.

m semiciclosn semiciclos

mnn

·uuRMSgRMSS +

=

US(t)


b. Control de fase

Ug(t)

T1

T2L

R

iT1

iT2

uS(t)

El control se efectúa dentro de cada semiciclo de red, dejando pasar una parte del mismo. Tiene

el inconveniente de que se introducen armónicos en la red de distribución.

2·π

δ

δ+δ−ππ

=2

)·2(sen·

1·uu

RMSgRMSS

US(t)


c. Reguladores totales

Ug(t)

T1

T2L

R

iT1

iT2

uS(t)

Permiten la máxima variación, desde cero a la tensión del generador. En cualquier momento, la

tensión sobre la carga es la del generador o cero.


d. Reguladores diferenciales

Ug(t)

iT1

uS(t)

La tensión de salida tiene menor margen de variación y se necesita un autotransformador. El valor

instantáneo de la tensión de salida es el del valor máximo o del mínimo.

Z


Definición y principio de funcionamiento

Los cicloconvertidores son convertidores CA/CA de distinta frecuencia.

A partir de un generador de alterna, proporcionan corriente alterna mono o polifásica de amplitud y

frecuencia regulables.

La misma función puede lograrse conectando en cascada un rectificador y un inversor autónomo,

pero entonces la potencia se maneja dos veces y el rendimiento es menor.

Caracerísticas

•Elevado número de tiristores y complejidad del circuito de mando.

•Frecuencia de salida inferior a la de la red de alimentación ( < 1/3 fRED).

•El bloqueo de los tiristores se realiza de forma natural.

•Los montajes son reversibles (es decir, tienen la posibilidad de absorber energía de la salida y

entregarla a la entrada). Operación en cuatro cuadrantes.


Carga

uS

iS

Convertidor de 4

cuadrantes

APLICACIONES:

Su principal aplicación es el control a baja velocidad de grandes motores de CA, en el que es preciso

variar la amplitud de la tensión aplicada proporcionalmente a la frecuencia para mantener el par

máximo.

También son muy utilizados en las fuentes de alimentación de frecuencia constante cuando se

dispone de un generador de frecuencia variable (Por ejemplo, un alternador).

Empleo cada vez más elevado.

Convertidor alterna-alterna


Control integral

ug(t)

T1

T2L

R

iT1

iT2

uS(t)

El control se efectúa dejando pasar un número

entero de semiciclos. El contenido armónico

introducido en la red es mucho más reducido,

puesto que las conmutaciones se realizan en el

paso por cero.

m semiciclosn semiciclosuS(t)

ug(t)

iG1(t)

iG2(t)

iS

6. Regulador de alterna con control integralInsertar carga Ry L

Control integral

m semiciclosn semiciclos

mnn

·uuRMSgRMSS +

=

uS(t)

ug(t)

iG1(t)

iG2(t)

El valor eficaz de la tensión de salida es:

∫π

ϑϑ⋅+π

=2

0

2

RMS

2gRMSS d·senu·2·

)nm(2n

u

n es el número de ciclos que la entrada está

conectada a la carga;

m es el número de ciclos que la entrada está

desconectada;

n/(m+n) es el ciclo de trabajo


Control integral

m semiciclosn semiciclosuS(t)

ug(t)

iG1(t)

iG2(t)

Aplicaciones

Este tipo de control se utiliza en

aplicaciones donde se tiene una dinámica

lenta. Por ejemplo:

1.- se tiene una alta inercia mecánica

(control de motores de alterna)

2.- se tiene una alta constante de tiempo

térmica (calefacción industrial,

calentamiento por inducción, etc.)



• En este circuito, hay solamenteun elemento semiconductorcontrolable en el camino de idade la intensidad.

• El flujo de potencia en esteregulador se controla variando elángulo de disparo del SCR, por loque solo tenemos control en elsemiciclo positivo.

• Debido a la presencia del diodo,el rango de control esta limitado.

Regulador con carga resistiva

Forma de onda

a. Control de fase unidireccional-Carga R

• Tensión eficaz aplicada a la carga

7. Regulador de alterna con control de fase a. Control de fase unidireccional-Carga R

( ) 5.0

222sin2

+−=π

ααπsrmso VV

( )1cos22

cd −= απ

so

VV

• Valor medio de la tensión aplicada a la carga

b. Control de fase unidireccional-Carga RL

ug(t)

T

DL

R

iT

iD

uS(t)

δ

uS(t)

ug(t)

iG(t)

Debido al diodo, el rango de control está limitado.

La tensión de salida y la corriente de entrada son

asimétricos y contienen un nivel de continua (problema

de saturación si se utiliza un posible transformador de

entrada en la carga).

Aplicaciones de poca potencia: Calefacción, iluminación,

etc.

Carga resistiva

pura

iS


δ

uS(t)

ug(t)

iG(t)

δ+δ−ππ

=2

)2(sen2·

21

·uuRMSgRMSS

El valor eficaz de la tensión de salida es:

El valor medio de la tensión de salida es:

( )1cos2

u·2u

RMSg

AVGS −δπ

=

(Apenas se utiliza debido al peligro de saturación del

posible transformador de entrada en la carga que

produce el nivel de continua).

RMSgRMSSRMSg uuu·707.0 =<

Carga resistiva

pura

b. Control de fase unidireccional-Carga RL


• Los interruptores electrónicosutilizados son SCR conectados en antiparalelo. Esta disposición permiteque fluya corriente en cualquiersentido por la carga.

• Funcionamiento:– S1 conduce si se aplica una señal de

puerta en el semiciclo positivo de lafuente.

– S1 conduce hasta que la corriente quelo atraviesa se hace nula.

– Al aplicar una señal de puerta a S2 enel semiciclo negativo de la fuente, seproporciona un camino para lacorriente de carga negativa.

– Si la señal de puerta de S2 estaretrasada medio periodo respecto ala de S1, el análisis en el semiciclonegativo será idéntico al del positivocon un valor negativo.


Forma de onda

b. Control de fase Bidireccional-Carga R


• Observaciones básicas sobre el circuito:– Los SCR no pueden conducir

simultáneamente

– La tensión de carga es la misma que latensión de la fuente cuando esta activadocualquiera de los SCR. La tensión de cargaes nula cuando están desactivados los dosSCR

– La tensión del interruptor Vsw es nulacuando están activados cualquiera de los 2SCR y es igual a la tensión del generadorcuando están desactivados de los 2 SCR

– La corriente media en la fuente y en lacarga es nula si se activan los 2 SCRdurante intervalos iguales de tiempo. Lacorriente media en cada SCR no es nula,debido a la corriente unidireccional en losSCR

– La corriente eficaz en cada SCR es 1/√2multiplicado par la corriente eficaz decarga si se activan los SCR duranteintervalos iguales de tiempo


Forma de onda



• La tensión de la fuente es:

• La tensión de salida es:

• La tenían eficaz aplicada a la carga es:

Variando el ángulo α de 0 a π => V0 varia de Vs a 0.

• La corriente eficaz en la carga y en la fuente es:

• El factor de potencia de la carga es:

Para una carga resistiva no controlada fp = 1 para α = 0 y el

factor de potencia para α > 0 es menor que 1.



• La corriente media de la fuente es nula por la simetría

de media onda.

• La corriente media en los SCR es:

• La corriente de línea en cada SCR es:



• El factor de potencia es: fuentermsfuenterms

ac

IV

P

S

Pfp

__

arg==

Problema 1

• Un regulador de tensión alterna monofásico presenta una fuente con una tensión eficaz de 120V a 60Hz. La resistencia de carga es de 15Ω. Calcular:– a) el ángulo de disparo necesario para entregar 500W a la carga

– b) la corriente eficaz de la fuente

– c) la corriente eficaz y la corriente media en los SCR

– d) el factor de potencia

• Cuando se aplica una señal de puerta

a S1 en ωt = α, la ley de Kirchhoff para

las tensiones aplicada al circuito se

expresa de la siguiente manera:

• La corriente en esta ecuación será:

donde

Regulador con carga RL

Forma de onda

b. Control de fase Bidireccional-Carga RL


• El ángulo de extinción β es el ángulo para el cual lacorriente se hace nula. Cuando ωt = β,

Regulador con carga RL

Forma de onda



• La corriente eficaz de carga es:

• La potencia absorbía por la carga es:

• La corriente eficaz en cada SCR es:

• La corriente media de carga es cero, pero cada SCR conduce la mitad de la forma de onda de la corriente, por lo que la corriente en los SCR es:



)2

)2sin(2

)2sin((

βααβ −+−= so VVEl valor eficaz de la tensión aplicada a la carga es:

Control integral o de fase bidireccional

δ

uS(t)

ug(t)

iG1(t)

ug(t)

T1T2

R

iT1 iT2

uS(t)

iG2(t)

iS

D2D1

iD2 iD1

El circuito de disparo es mucho más sencillo (ambos

pulsos de disparo con la misma referencia)

Inconveniente:

La caída de tensión en el interruptor en conducción

equivale a dos semiconductores puestos en serie.

8. Regulador de tiristores con cátodo común

Control integral o de fase bidireccional

δ

uS(t)

ug(t)

iG(t)

ug(t)

T1

D2

R uS(t)

iS

D3 D4

D1

La caída de tensión es aún mayor, equivalente a tres

semiconductores en serie.

El tiristor conduce la corriente de la carga rectificada, es

decir, prácticamente continua. Por eso, el apagado es muy

difícil si la carga tiene un cierto carácter inductivo. (Solo

válido para cargas prácticamente resistivas).

9. Regulador con un tiristor y cuatro diodos

Ug(t)

uS(t)

La tensión de salida tiene menor margen de variación y se necesita un autotransformador. El valor

instantáneo de la tensión de salida es el del valor máximo o del mínimo.

Z

Control de fase

δ

ue2(t)

ue1(t)

uS(t) ue2(t)

ue1(t)

10. Regulador basado en transformador con tomas (regulador diferencial)

Problema 2

• Por el regulador monofasico de tension se utiliza una fuente de 120 V eficaces a 60Hz, y la carga es una combinacion serie R-L, siendo R = 20Ω y L = 50 mH. El angulo de disparo α es de 90°. Calcular:– a) la expresion de la corriente de carga para la primera

mitad del period

– b) la corriente eficaz de carga

– c) la corriente eficaz de los SCR

– d) la corriente media en los SCR

– e) la potencia entregada a la carga

– f) el factor de potencia

EVALUACIÓN DE LA CLASE

• ¿Que es un convertidor CA-CA?

• ¿Que aplicaciones tiene un convertidor CA-CA?

• ¿Que es un control integral?

42

CONCLUSIÓN FINAL

43

• Un regulador de tensión alterna es un convertidorque controla la tensión, la corriente y la potenciamedia que entrega una fuente a una carga.

• Su funcionamiento es parecido a un rectificador deonda controlado.

BIBLIOGRAFÍA

• Hart W. Daniel, Electrónica de potencia, Pearson Education

S.A. Madrid 2001, 451 páginas.

• Muhammad H. Rashid, Electrónica de potencia, Circuitos,

Dispositivos y Aplicaciones, Pearson Education 1995, 2a

edición, 702 páginas.

• Jiménez Redondo N, Electrónica de potencia, Universidad de

Malága, 2005, 443 páginas.

• Martínez García S., Electrónica de Potencia: Componentes,

Topologías y Equipos, Thomson 2006, 754 páginas.

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