5-1 Convertidores de CA a CA

UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------CONVERTIDORES DE CORRIENTE ALTERNA A CORRIENTE ALTERNA Introducción Los convertidores de ca a ca, están destinados a controlar el flujo de potencia de corriente alterna, mediante la variación del valor eficaz (rms) del voltaje de ca aplicado a la carga. La frecuencia de salida de estos convertidores, es la misma que la frecuencia del voltaje de entrada. A este tipo de convertidores, también se le suele llamar “controladores de voltaje de ca”. Estos controladores de voltaje de ca tienen aplicación en calefacción industrial, cambio de conexiones de transformadores con carga, controles de alumbrado, control de velocidad de motores polifásicos de inducción y controles de electroimanes. En términos generales, se utilizan dos métodos para realizar el control del flujo de potencia de ca, a saber: 1. Control de encendido y apagado 2. Control por ángulo de fase En el control de “encendido y apagado” (también llamado control todo o nada), los interruptores estáticos (tiristores) conectan la carga a la fuente de ca durante algunos ciclos del voltaje de entrada y lo desconectan durante algunos otros ciclos. Los controladores por ángulo de fase, los interruptores conectan la carga con la fuente de ca durante una parte de cada ciclo del voltaje de entrada. Los controladores de voltaje, los podemos clasificar, desde el punto de vista de los circuitos utilizados en: a) Controladores monofásicos y b) Controladores trifásicos. Ambos a su vez pueden subdividirse en controladores unidireccionales o de media onda y en controladores bidireccionales o de onda completa. Dentro de los trifásicos, tenemos varias configuraciones que dependen de las conexiones de los interruptores. En gral, estos convertidores son relativamente sencillos, dados que son conmutados por línea, con control por ángulo de fase, sin circuitos adicionales de conmutación. Trabajan con baja frecuencia de conmutación, por lo que se utilizan tiristores (SCR) de baja frecuencia de conmutación, lo que hace que estos convertidores sean de bajo costo. El análisis de las formas de onda de estos convertidores resulta más complejo, especialmente para el control por ángulo de fase con carga RL. Con la finalidad de simplificar, analizaremos estos convertidores con carga resistiva; no obstante en los diseños definitivos, deben tenerse en cuenta las cargas reales. Control por encendido y apagado (todo o nada)

+

+

Vs

Vo

-

-

___________________________________________________________________ Apunte de cátedra Autor: Domingo C. Guarnaschelli

1

UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------

El principio del control de encendido y apagado, lo podemos explicar con un controlador de onda completa, como se muestra en la figura anterior. Los SCR se conectan a la carga durante un tiempo “tn” y desconectan la carga, durante un tiempo “tm”, como se muestra en el siguiente grafico: Vs tn=T.n

tm=T.m

Vm

wt

0 Factor de potencia _ FP FP=√k

T Vo

1 Vm 0,8 0,6

io

io

wt

0

0,4 0,2 k

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Pulsos de disparo para T1 g1

1

wt

0 k: ciclo de trabajo Pulsos de disparo para T2 g2

k=tn/(tn+tm)

wt

0

El tiempo de activación “tn” suele consistir en una cantidad entera de ciclos. Los tiristores se activan en “sincronismo” con los cruces por cero del voltaje de entrada de ca. Este tipo de control se usa en aplicaciones con una gran inercia mecánica y alta constante de tiempo térmico (control de velocidad de motores y calefacción industrial). Debido a la conmutación a voltaje y corriente cero de los tiristores, las armónicas generadas por la conmutación, se reducen notablemente. Para un voltaje senoidal de entrada vs = Vm.sen wt = √2.Vs.sen wt, con una conexión de “n” ciclos y desconexión de “m” ciclos, el voltaje eficaz (rms) sobre la carga lo podemos determinar como: 2П

1/2

Vo = [n/2П.(n+m)∫0 2.Vs .sen wt.d(wt] 2

____

2

_

Vo = Vs.√n / (n+m) = Vs.√k El valor de k=n/(n+m) se llama “ciclo de trabajo”. Las configuraciones de los circuitos para el control de encendido y apagado son similares a las de control de fase; de la misma manera respecto al análisis de rendimiento de ambos métodos. Si “T” es el periodo del voltaje de entrada, (n+m).T es el periodo de control de encendido y apagado, y debe ser menor a la constante mecánica o térmica de la carga.


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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------El valor de T siempre es menor a 1seg, y la suma de n+m esta en alrededor de 100. La formula anterior no tiene validez para periodos de horas o días. Control de ca por ángulo de fase Este método, consiste en controlar el flujo de potencia, retrasando el ángulo de disparo de los interruptores (tiristores). La siguiente figura, nos muestra un circuito de control que solamente utiliza un tiristor T1 para controlar solamente un semiciclo, el otro semiciclo, no tiene control debido a que el diodo conduce los 180º.

Vs Vm wt 0

П

2П

3П

Vo,io + Vs -

+ Vo -

wt

0 α : ángulo de retraso g1 0

2П+α

Pulso de disparo de T1 wt

Debido al diodo D1, el intervalo de control de la tensión eficaz de salida, se puede variar entre 70,7 y 100 %. El voltaje y la corriente de salida son asimétricos y tienen componente de continua que podría provocar saturación en el circuito magnético del transformador. El voltaje eficaz y promedio de la tensión de salida se determinan por las siguientes expresiones: 1/2 Vo=Vs [1/2П(2П-α+((sen 2α)/2)] Vdc= (√2.Vs/2П).(cosα -1) Este tipo de control solamente se aplica en casos particulares de baja potencia donde se requiera controlar en forma parcial, la potencia eléctrica entre el 50% y 100%. Control por fase bidireccional. Con éste método, podemos controlar el flujo de potencia en ambos semiciclos y a su vez eliminar la componente de corriente continua, que presentaba, el caso anterior. La siguiente figura muestra el circuito principal de conversión junto a las graficas de los voltajes y corrientes que involucrados.


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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------Vs Vm wt 0

П

2П

3П

α1=П+α1 : ángulo retraso T2 Vo,io + Vs -

+ Vo -

wt

0 α1 : ángulo de retraso T1 g1


0 g2 0


Como se puede observar, se colocaron dos tiristores, T1 y T2, para controlar el flujo de potencia, tanto en el semiciclo positivo como en el negativo, respectivamente. Los pulsos de disparo de T1 y T2, para los distintos retrasos en la conducción, se mantienen separados 180º. _ Si la tensión de entrada vale: vs = √2.Vs.senwt y si disparamos a T1 con un retraso “α=α1” y a T2 con un retraso “α2=П+α1, el voltaje eficaz sobre la carga lo podemos calcular de la siguiente manera: П

1/2

Vo = [2/(2П).∫α 2.Vs2.sen2wt dwt]

1/2

= Vs.[(1/П).(П-α+((sen2α)/2)]

Como vemos en la formula, la tensión eficaz sobre la carga la podemos variar desde cero a Vs, variando el ángulo “α” desde П a cero, respectivamente. Para generar los pulsos de disparo y trabajar “sincrónicamente” con el voltaje de entrada, debemos realizar la siguiente secuencia de disparo: 1) Detectar con un circuito especial, el cruce por cero del voltaje de entrada y generar un pulso de sincronismo de referencia. 2) Tomando como referencia el pulso de sincronismo de cruce por cero, retrasar un ángulo “α1” el pulso de disparo del tiristor T1. 3) Generar otro pulso de disparo con un retraso α2=П+α1 para disparar al tiristor T2. Esta secuencia, se debe cumplir tanto si el sistema de control de pulsos esta materializado con circuitos analógicos o por medio de sistemas programables (por ejemplo un microcontrolador). Para los sistemas programables, el pulso de sincronismo se obtiene de un circuito analógico, que luego el programa de control se encarga de detectarlo, para luego con temporizaciones con instrucciones internas, generar los


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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------“tiempos” para generar los pulsos para disparar a los tiristores. Para este ultimo caso, los generadores de pulsos son circuitos especiales. Controlador de ca monofásico con cátodo común Los circuitos de disparo de los tiristores T1 y T2 del caso anterior, deben aislarse para poder ingresar los pulsos entre la compuerta y el cátodo. Es posible tener un cátodo común para T1 y T2 agregando dos diodos como se ilustra en la siguiente figura:

is +

io +

vs -

vo -

El tiristor T1 y el diodo D1 conducen al mismo tiempo, durante el semiciclo positivo y el tiristor T2 y el diodo D2, lo hacen durante el semiciclo negativo. La ventaja de este circuito, respecto al anterior deriva del hecho que al tener cátodo común T1 y T2, necesitamos un solo circuito de aislamiento, pero a expensas de dos diodos de potencia, que reducen la eficiencia del circuito, por el aumento de las perdidas por conducción. Controlador de ca monofásico con un tiristor o un transistor Es posible realizar el control de potencia en ambos semiciclos, utilizando un solo tiristor (puede ser también un transistor, como un IGBT), si lo conectamos con cuatro diodos, como muestra la figura siguiente: Vs Vm П

2П

3П

wt

0 α

is +

vo

io iT1

+

vs

vo

-

-

Vm wt

0

α+П iT1

Vm/RL wt

0 g1

wt 0


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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------En este caso los cuatro diodos funcionan como un puente rectificador, de manera tal que en ambos semiciclos, el tiristor siempre esta polarizado en directo, resultando la corriente por T1 unidireccional. Actualmente se dispone en el comercio el puente rectificador con el tiristor, como un solo conjunto o dispositivo “interruptor de ca”, con bajas perdidas, respecto a su conexión en forma discreta. Controladores monofásicos con cargas inductivas Con carga resistiva la corriente del tiristor se hace cero en el cruce con cero del voltaje de entrada. Con carga inductiva, la corriente del tiristor sigue conduciendo mas allá del cruce con cero y si no se toman medidas al respecto, se puede perder el control de la potencia convertida. El siguiente grafico, nos muestra un controlador de ca con carga RL, donde se observa que la corriente del tiristor T1, se extingue más allá del cruce con cero de la tensión de entrada. Vemos que se lo dispara en el ángulo “α” y se apaga en el ángulo “β > П”. Esto, es consecuencia de la FEM de la inductancia “L”, de la carga, que hace que el tiristor siga polarizado en directo, aun cuando la tensión de entrada sea negativa. Vs Vm wt 0

П

2П

3П

α1=П+α1: ángulo retraso T2 iT1 g1 0 g2

wt α

П П+α

wt

0

2П

α1 : angulo de retraso T1

wt 0 Disparo pulsos continuos para carga inductiva

β g1

ángulo de extinción de T1

Pulso de disparo de T1

g1 0 g2

wt

0

wt

wt

0 g2

Pulso de disparo de T2 0

Disparo tren de pulsos para carga inductiva

Las señales de disparo de los tiristores pueden ser pulsos de corta duración para carga resistiva. Sin embargo, para carga inductiva, los pulsos cortos no son adecuados. En primer lugar, la corriente del tiristor cuando se enciende, crece lentamente y puede ocurrir que no alcance al valor mínimo de la corriente de enganche, con un pulso de corta duración. Por otra parte puede ocurrir que para un determinado valor de retraso del ángulo de conducción “α” (por ejemplo T1) y de la constante de carga RL, el ángulo de apagado (T1), sea mayor al ángulo de inicio de conducción del otro tiristor, o sea T2 (β>П+α). Para este caso, el tiristor que tiene que empezar a conducir en П+α, todavía ___________________________________________________________________ Apunte de cátedra Autor: Domingo C. Guarnaschelli

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------tiene polarización inversa entre ánodo y cátodo; cuando recibe su pulso de disparo, el tiristor no se activa. El resultado es que solo funciona un tiristor y causa formas de onda de voltaje y corriente, asimétricas en la carga. Para evitar los inconvenientes mencionados, resulta conveniente disparar a los tiristores con un pulso continuo, con una duración П-α, como se observa en el grafico anterior, para pulsos continuos. Sin embargo, un pulso continuo de compuerta, aumenta la pérdida de los tiristores por conmutación, y requiere un transformador de aislamiento más grande para el circuito de disparo. En la práctica, se suele usar un tren de pulsos de corta duración como se muestra en el grafico anterior. En lo que respecta a los valores de corrientes y tensiones del circuito, no lo vamos a deducir; para esta información remitirse a la bibliografía. Mencionaremos como hecho importante que la corriente en la carga puede ser continua o discontinua, dependiendo de los valores de “α” y del ángulo de carga “θ=tan-1(wL/R). Controladores trifásicos de onda completa

iA

ia +

+

~

VAN

R -

N

~

van

-

VBN +

~

R

-

ib

n + vbn

-

-

VCN

vcn R

+

+ ic

Este control, se utiliza para cargas trifásicas, como por ejemplo, los arrancadores de motores de ca de mediana potencia. El análisis de la conducción de los tiristores depende del ángulo de retraso “α”, considerando a este valor el retraso de conducción de uno de los tiristores conectados a una de las tensiones de fase, considerado de referencia. Por ejemplo si tomamos como referencia a la fase VAN, la secuencia de disparo es T1, T2, T3, T4, T5, T6. El análisis de las graficas (ver bibliografía) demuestran que para 0 ≤ α < 60º, las condiciones de conducción se alternan entre dos y tres tiristores. Para 60º ≤ α < 90º, solo hay dos tiristores que conducen en cualquier momento. Para 90º ≤ α < 150º, aunque dos tiristores conducen en cualquier momento, hay intervalos en los que no hay tiristores conduciendo. Cuando α >150º, no hay periodo durante el cual dos tiristores conduzcan y el voltaje de salida se vuelve cero a partir de α =150º. La secuencia de disparo de los tiristores, es la siguiente: 1- Generar una señal de pulso en el cruce por cero del voltaje positivo de fase VAN. 2- Retardar los pulsos de disparo los ángulos α, α+(2/3)П, α+(4/3).П, para los tiristores T1, T3, T5. 3- Retardar los pulsos de disparo los ángulos α+П, α+(5/3)П, α+(7/3).П, para los tiristores T2, T4, T6. ___________________________________________________________________ Apunte de cátedra Autor: Domingo C. Guarnaschelli

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------

CICLOCONVERTIDORES

Introducción Los controladores de voltaje de ca, analizados hasta aquí, proporcionan un voltaje eficaz de salida variable, pero la frecuencia se mantiene constante. Otro inconveniente de estos convertidores, es el alto contenido de armónicas especialmente con valores bajos de voltaje. Por otra parte, existen aplicaciones para los convertidores de ca en donde además de la exigencia de variar el voltaje de salida, también es necesario variar la frecuencia. Por ejemplo para variar la velocidad de los motores de ca, una de las variables del control, es la frecuencia del voltaje de alimentación. Se puede obtener un voltaje eficaz variable, con una frecuencia variable, mediante conversiones en dos etapas: Una primera conversión de ca de frecuencia constante en voltaje continuo variable, mediante rectificador controlado. La segunda conversión, el voltaje continuo variable a la salida del rectificador, se lo convierte en voltaje de alterna, con frecuencia variable, mediante un inversor. También se puede utilizar la combinación de un rectificador no controlado con un inversor con modulación por ancho del pulso, en sus distintas variantes. Con los cicloconvertidores, es posible eliminar la necesidad de uno o mas convertidores intermedios. Un ciclo convertidor es un cambiador directo de frecuencias, que convierte corriente alterna con una determinada frecuencia, en corriente alterna con otra frecuencia, en una conversión ca a ca sin un enlace intermedio de conexión. La mayor parte de los cicloconvertidores tienen conmutación natural, y la frecuencia máxima de salida se limita a un valor que solo es una fracción de la frecuencia de la fuente. En consecuencia, las aplicaciones principales de los cicloconvertidores son en excitadores de motores de ca de velocidad, hasta 15.000 KW, con frecuencias de 0 a 20 Hz Con el desarrollo de las técnicas de conversión de potencia eléctrica, y los métodos modernos de control con microprocesadores, los excitadores de motores de ca alimentados con rectificador-inversor, están ganando terreno sobre los excitadores alimentados por cicloconvertidor, especialmente en las potencias bajas y medias. Sin embargo los adelantos recientes en conmutación rápida de dispositivos de potencia, con conmutación forzada y la aplicación también de sistemas programables de control, con microprocesador, han permitido sintetizar e implementar estrategias avanzadas de conversión para los cicloconvertidores. Estas estrategias, optimizan la eficiencia y reducen el contenido de armónicas de estos convertidores directos de frecuencia, haciéndolos competitivos con los de doble conversión, en determinados rangos de potencia y frecuencia. Estos cicloconvertidores con conmutación forzada, se les denomina con la abreviatura FCDFC (force-commutated direct-frecuency changer).


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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------Principio de funcionamiento de los cicloconvertidores monofásicos is

iN Convertidor P

convertidor N

iP +

-

Vo1

Vo2

-

Vs

П

Vm

2П

3П

+

4П

5П

wt

0

fs=60 Hz Vo α wt

0

To/2

fo = 20 Hz wt

Convertidor P activo

Convertidor N activo

wt

g1,g2 wt g3,g4 wt g1’,g2’ wt g3’,g4’ wt


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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------El principio de funcionamiento de los cicloconvertidores monofásicos/monofásicos Lo podemos observar en la figura anterior. Como vemos tenemos dos rectificadores controlados en puente T1, T2, T3, T4 y T1’, T2’, T3’ T4’, con sus salidas conectadas en extremos opuestos de la carga, para suministrar voltajes en oposición. Durante el primer periodo (To/2) de la frecuencia de salida, solamente esta activo el primer rectificador controlado, suministrando una tensión positiva a la carga. Durante el segundo periodo, se desactiva el primer rectificador y se activa el segundo, suministrando una tensión negativa a la carga. Los pulsos de disparo a los tiristores, se realizan de tal manera que ambos rectificadores suministren el mismo voltaje pero en oposición, por la forma como están conectados. Vo1 = -Vo2. Cicloconvertidores trifásicos

fs = 60 Hz

VAB VBC VCA

wt

wt

To/2

fo = 12 Hz wt



wt

___________________________________________________________________ 10 Apunte de cátedra Autor: Domingo C. Guarnaschelli

UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------El esquema anterior muestra un ciclo convertidor trifásico / monofásico. Para ello se utiliza dos rectificadores controlados conectados en oposición, en los extremos de la carga. La síntesis de la forma de onda corresponde para una frecuencia de salida de 12 Hz, para una frecuencia de la tensión trifásica de 60 Hz. El rectificador controlado positivo, cuando esta activado, suministra el semiciclo positivo de la tensión de salida, mientras que el otro, suministra el semiciclo negativo. Para el control de grandes motores de ca, se requiere un voltaje de alimentación trifásico con frecuencia variable. Para ello, el cicloconvertidor anterior se puede ampliar para dar una salida trifásica, teniendo mediante 6 rectificadores controlados. Si utilizamos rectificadores controlados trifásicos de media onda, se requerirán 18 tiristores y si utilizamos rectificadores controlados en puente, necesitaremos 36 tiristores. La estrategia de control deberá ser tal que en cada fase se suministre una tensión alterna sin componente continua y a su vez el defasaje entre fases sea de 120º. La siguiente figura muestra un esquema simplificado de un cicloconvertidor trifásico /trifásico: Fuente trifásica

P

P

P

N

N

Carga Fase a

Carga Fase b

A B C P

N

N

Carga Fase c

Convertidor Fase “a” con rectificador trifásico media onda


UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------Controladores de voltaje de ca con control PWM Los controladores de voltaje de ca, con tiristores con conmutación natural, introducen armónicas de orden menor tanto del lado de la carga como del lado sel suministro; además, tienen bajo factor de potencia (FP). Estos inconvenientes pueden mejorarse mediante un control por modulación por ancho de pulso (PWM). El siguiente circuito, muestra un control PWM monofásico para ca, donde los interruptores S1, S2, S1’y S2’, representan tiristores con activación desactivación por pulsos.

+ Vo _

Vo

П

2П

wt

0

Io θ 0

wt

S1 wt

0 S2 0 S1’ 0

wt

wt

S2’ 0

wt


UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 5-11 Convertidores de ca. a ca. --------------------------------------------------------------------------------------------------------Los interruptores S1 y S2 se activan y desactivan varias veces durante los medios ciclos positivo y negativo, del voltaje de entrada, respectivamente. Los interruptores S1’ y S2’ actúan como “diodos volante”, proporcionando las trayectorias de corrida libre para la corriente de carga, cuando esta ultima presenta parte inductiva. Esta situación se presenta cuando S1 y S2 están desactivados. La conducción de los interruptores S1’ y S2’ transfieren la energía magnética acumulada en la inductancia de carga a la carga R, evitando también que aparezcan altos voltajes inversos sobre los interruptores principales. Cuando se activa y desactiva S1, durante el semiciclo positivo, El interruptor S1’ queda conectado todo el tiempo y el interruptor S2’ desconectado. Durante el semiciclo negativo, S2 se activa y desactiva, con S2’ conectado y S1’ desconectado, según se muestra en las señales de disparo de la grafica anterior. Para una carga resistiva, la forma de la corriente de la carga, es similar al del voltaje de salida. Para carga con componente inductivo, tipo RL, l corriente en la carga aumenta en dirección positiva o negativa, cuando se activan S1 y S2 respectivamente. De igual modo, la corriente en la carga decrece cuando están activos S1’ y S2’ y S1 y S2 están desactivados respectivamente. Los diodos, conectados al circuito, disminuyen los voltajes inversos sobre los interruptores. Una de las ventajas de convertidor de ca con PWM, es producir un voltaje variable de alterna con un factor de potencia superior al sistema clásico.


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