InformePrevio4-ElectronicaPotencia

Laboratorio de Electrónica de Potencia

Viernes 6:00-8:00 pm

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS UNIVERSIDAD DEL PERÚ, DECANA DE AMÉRICA Curso: Electrónica de Potencia Profesor: Ing. Celso Gerónimo Huamán Tema: Informe Previo 3 – “Controladores – “Controladores de C.A.” Nombre: Ríos Morillo Marco

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Ciclo: 2016-I

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CONTROLADORES DE C.A. CUESTIONARIO PREVIO 1. Indicar los tipos de control de voltaje de c.a. Explicar el control de abrir y cerrar y el control de ángulo de fase. Indicar sus ventajas y desventajas, dar ejemplos , indicando circuitos. PRINCIPIO DEL CONTROL DE ENCENDIDO APAGADO El principio del control de encendido apagado se puede explicar con un controlador monofásico de onda completo, como el que se ve en la figura. El interruptor de tiristor conecta la fuente de ca con la carga durante un tiempo tn; el interruptor se abre mediante un pulso de compuerta que lo inhibe durante el tiempo to. El tiempo activado tn suele consistir en una cantidad entera de ciclos. Los tiristores se activan en los cruces del voltaje de entrada de ca con cero. Los pulsos de compuerta para los tiristores Tl y T2,Ylas formas de onda para los voltajes de entrada y de salida, se ven en la figura. Este tipo de control se usa en aplicaciones que tienen una alta inercia mecánica y una alta constante de tiempo térmica (por ejemplo en la calefacción industrial y en el control de velocidad de motores).

PRINCIPIO DE CONTROL POR ÁNGULO DE FASE El principio de control por ángulo de fase se puede explicar con la figura l1.2a como referencia. El flujo de potencia a la carga se controla retrasando el ángulo de disparo del tiristor TI' La figura ilustra los pulsos de disparo del tiristor TI y las formas de onda para los voltajes de entrada y salida. Debido a la presencia del diodo DI, el intervalo de control se limita y el

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voltaje efectivo rms de salida sólo se puede variar entre 70.7 y 100%. El voltaje de salida y la corriente de entrada son asimétricos y contienen un componente de cd.

2. ¿Cuáles son los efectos de la carga inductiva sobre el rendimiento de los controladores de voltaje de c.a.? Un controlador se puede implementar con un solo tiristor y cuatro diodos como se muestra en la figura 3. La tensión entre de T1 y la corriente que circula por el, tienen siempre el mismo signo. Con carga resistiva, la corriente en el tiristor se hace cero cuando la tensión aplicada a la carga se hace cero. Sin embargo, si hay una gran inductancia en la carga, el tiristor T1 puede no apagarse en cada medio ciclo de la tensión de entrada, y esto puede llevar a una pérdida de control. Esto requiere la detección del paso por cero de la corriente en la carga, n orden de garantizar el apagado del tiristor antes del próximo disparo de este. Tres semiconductores conducen a la vez (un tiristor y dos diodos) por lo que el rendimiento del controlador se reduce.

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3. ¿Qué es el ángulo de extinción? El ángulo β, conocido como ángulo de extinción, hace referencia al tramo en que la corriente

del tiristor pasa por cero y se desactiva el tiristor. Con este dato y el ángulo de retraso, es posible hallar el ángulo de conducción. 4. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de los controladores unidireccionales? Entre las desventajas, está el hecho de que la corriente de entrada es menor durante el semiciclo por lo que de haber un transformador de entrada, su núcleo podría saturarse. Aunque el controlador de media onda puede hacer variar el voltaje de salida al variar el ángulo de retardo α, la salida contiene un componente de cd indeseable. Este tipo de controlador no se usa en aplicaciones prácticas, en el caso normal. 5. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de los controladores bidireccionales? Entre las ventajas, está el evitar el problema de la cd de entrada. 6. ¿Cuál es el rango de control del ángulo de retraso para los controladores monofásicos bidireccionales? Dado que el ángulo de conducción δ no puede exceder de π y la corriente de carga debe pasar por cero, el ángulo de retraso α no puede ser menor que ángulo de carga θ y el ángulo de control del ánodo de retraso es θ≤α≤π.

7. ¿Cuál es el rango de control del ángulo de retraso para los controladores bidireccionales? Dado que el ángulo de conducción δ no puede exceder de π y la corriente de carga debe pasar por cero, el ángulo de retraso α no puede ser menor que ángulo de carga θ y el ángulo de control del ánodo de retraso es θ≤α≤π.

8. ¿Cuál es el rango de control del ángulo de retraso para los controladores trifásicos unidireccionales? En la práctica, los pulsos de compuerta estan formados por dos partes. El primer pulso T1 empieza en cualquier momento entre 0 y 150° y termina en wt=150°, y el segundo, que puede empezar en wt=150°, siempre termina en wt=210°. Esto permite que la corriente fluya a través del tiristor T1 durante el periodo 150°≤wt≤210° aumentando el rango de control de voltaje a la salida. El rango de retraso es 0≤α≤210°.

9. ¿Cuál es el rango de control del ángulo de retraso para los controladores trifásicos bidireccionales? Para 0≤α<60°, dos tiristores conducen inmediatamente antes del disparo de T1. Una vez disparadoT1, conducen tres tiristores. Un tiristor se desconecta cuando su corriente intenta invertirse. Las condiciones se alternan entre dos y tres tiristores en conducción.

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Para 60°≤α<90, solo conducen dos tiristores en todo momento. Para 90°≤α<150°, aunque conducen dos tiristores en todo momento, existen periodo en los que ningún tiristor está activo. 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° 10. ¿Cuáles son los requisitos de señal de compuerta de los tiristores para controladores de voltajes de carga RL? Las señales de compuerta de los tiristores pueden ser pulsos cortos para un controlador de carga resistiva. Sin embargo, para cargas inductivas, estos pulsos cortos no son adecuados. Esto se puede explicar haciendo referencia a la figura 4b. Cuando se dispara en wt= π+α el tiristor T2, el T1 aún está conduciendo debido a la inductancia de la carga. Para el momento en que la corriente del tiristor T1 pasa por cero y T1 se desactiva en wt=β=α+δ, el pulso de compuerta del tiristor T2 ha dejado de funcionar y, en consecuencia, T2 no se activara. Como resultado, solo operara el tiristor T1, causando formas de ondas simétricas de voltaje y corriente de salida. Esta dificultad se puede resolver utilizando señales de compuerta continuas con una duración ( π-α), tal y como se muestra en la figura 4c. En cuanto a la corriente de T1 cae hasta cero, el tiristor T2 (con pulsos de compuerta tal y como se muestra en la figura 4c) se activa. Sin embargo, un pulso de compuerta continuo aumenta la pérdida de conmutación de los tiristores requiriéndose para el circuito de disparo de un transformador con mayor aislamiento. En la práctica a fin de resolver estos problemas, normalmente se utiliza un tren de pulsos de corta duración.

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11. ¿Cuáles son los efectos de las inductancias de alimentación y de carga? El efecto de cualquier inductancia de alimentación seria retrasar la desactivación de los tiristores. Los tiristores no se desactivaran en el cruce de ceros del voltaje de entrada como aparece en la figura, y los pulsos de compuerta corta duración pueden no ser adecuados. También aumentaría el contenido armónico del voltaje de salida. A pesar de que el voltaje de salida tiene una forma de onda pulsada la inductancia de la carga intenta conservar un flujo continuo de corriente, tal y como se muestra en las figuras. Debido a las características de conmutación de los tiristores cualquier inductancia en el circuito hace más complejo este análisis.

12. ¿Cuáles son los tipos de conmutación forzada? Explicar. AUTO CONMUTACIÓN El tiristor es desactivado debido a las características naturales del circuito. Veamos el circuito en la figura 6 con la hipótesis de que el capacitor esta inicialmente sin carga. Cuando se activa el tiristor T1, corriente de carga del capacitor i está dado por:

Con condiciones iniciales Vc(t=0) e i(t=0), la corriente de la carga i es:

Y el voltaje del capacitor como Donde wm=1/√  , la corriente de carga se convierte en cero y el tiristor T1 se interrumpe por si mismo. Una vez que el tiristor es disparado, existe un retraso de t0 segundos antes de que T1 sea desactivado, por lo que t0 puede llamarse el tiempo de conmutación del circuito. Cuando la corriente del circuito se abate hasta cero, el capacitor se carga hasta 2Vs.

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CONMUTACIÓN POR IMPULSO En la figura se muestra un circuito conmutado por impulso. Se supone que el capacitor está cargado inicialmente a un voltaje –V0 con la polaridad que se muestra. Supongamos que el tiristor T1 esta inicialmente conduciendo y tiene una corriente de carga Im. Cuando se dispara el tiristor auxiliar T2, el tiristor T1 que con polarización inversa, debido al voltaje del capacitor y T1 se desactiva. La corriente a través del tiristor dejara de fluir y el capacitor conducirá corriente de carga. El capacitor se descargara desde –V0 hasta cero y a continuación cargara al voltaje de cd de entrada Vs, cuando la corriente del capacitor pase por cero y el tiristor T2 se desactive. La inversión de carga del capacitor desde V0 (=Vs) hasta –V0 ocurre entonces al disparar el tiristor T3. El tiristor T3 es autoconmutado. Dado que se aplica un voltaje inverso de V0 a través del tiristor T1 inmediatamente después del disparo del tiristor T2, eso se conoce como conmutación por voltaje.

CONMUTACIÓN POR PULSO RESONANTE La conmutación por pulso resonante se puede explicar con la figura 8a. En la figura 8b. Se muestra las formas de onda para la corriente y el voltaje del capacitor. El capacitor se carga inicialmente con una polaridad como se muestra estando el tiristor T1 en modo de conducción, con una corriente de carga Im. Cuando se dispara el tiristor de conmutación T2, se forma un circuito resonante por L, C, T1 y T2. Debido a la corriente de resonancia, la corriente en sentido directo del tiristor T1 se reduce a cero en t=t1, cuando la corriente de resonancia se iguala con la corriente de carga Im. La corriente a través del tiristor dejara de fluir y el capacitor se volverá a cargar a a una velocidad determinada por la corriente de carga Im. El capacitor se descargara desde –V1 hasta cero y su voltaje empezara a elevarse hasta su voltaje en cd de la fuente Vs, en cuyo momento empezara a conducir el diodo Dm.

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CONMUTACIÓN COMPLEMENTARIA Se utiliza para transferir la corriente entre dos cargas; una disposición como esta aparece en la figura 9a. El disparado de un tiristor conmuta a otro. Cuando se dispara el tiristor T1 la carga R1 se conecta al voltaje de alimentación Vs y al mismo tiempo se carga el capacitor C hasta Vs a través de la otra carga con R2. La polaridad del capacitor C es como la que aparece en la figura. Cuando se conecta el tiristor T2, el capacitor queda colocado a través del tiristor T1 y la carga con R2 se conecta al voltaje de alimentación, Vs, T1 adquiere polarización inversa y se desactiva mediante la conmutación por impulso, una vez desactivado el tiristor T1 se vuelve a disparar, el tiristor T2 se desactiva y el ciclo se repite. Por lo general, los dos tiristores conducen con iguales intervalos de tiempo. Las fonas de onda de los voltajes y las corrientes aparecen en la figura 9b para R1=R2=R.

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CONMUTACIÓN POR PULSO EXTERNO Para desactivar un tiristor que está conduciendo, se utiliza un pulso de corriente que se obtiene de un voltaje externo. En la figura 10 se muestra un circuito de tiristor mediante la conmutación por pulso externo y dos fuentes de alimentación. Vs es el voltaje de alimentación principal y V es el voltaje de la fuente auxiliar. Si se dispara el tiristor T3, el capacitor se cargará a partir de la fuente auxiliar. Suponiendo que inicialmente el capacitor no estaba cargado, un pulso resonante de corriente de pico fluirá a través de T3 y el capacitor se cargara hasta 2V. Si el tiristor T1 está conduciendo y se aplica una corriente de carga a partir de la fuente principal Vs, el disparo del tiristor T2 aplicara un voltaje inverso Vs-2V a través del tiristor T1; y el T1 se desactivara. Una vez desactivado el tiristor T1, el capacitor se descargara a través de la carga a una velocidad determinada por la magnitud de la corriente de carga Im.

13. ¿Cuáles son las diferencias entre la conmutación del lado de la carga y del lado de la línea? CONMUTACIÓN DEL LADO DE LA CARGA La carga forma un circuito en serie con el capacitor; la descarga y carga del capacitor se efectúan a través de la carga. El rendimiento de los circuitos de conmutación del lado de la carga depende de la carga y los circuitos de conmutación no pueden probarse sin conectar la carga. CONMUTACIÓN DEL LADO DE LA LÍNEA En este tipo de conmutación, la descarga y carga del capacitor no se llevan a cabo a través de una carga por lo que el circuito de conmutación se puede probar sin conectarla. La figura 11 muestra un circuito como estos. Cuando se dispara el tiristor T2, el capacitor C se carga hasta 2Vs y T2 se autoconmuta. El tiristor T3 se dispara para invertir el voltaje del capacitor hasta -2Vs y T3 también queda autoconmutado. Si suponemos que el tiristor T1 está conduciendo y lleva una corriente de carga Im el tiristor T2 se dispara para desactivar T1. El disparo del tiristor T2 dará polarización directa al diodo Dm y aplicara un voltaje inverso a 2VS a través de T1; T1 se desactivara. La descarga y la recarga del capacitor se efectuaran a través de la alimentación. Para probar el circuito de conmutación no se requiere de la conexión de la carga.

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14. ¿Cuáles son los objetivos del circuito de conmutación? Principalmente esto se debe a que un tiristor en conducción se puede desactivar mediante una conmutación natural o forzada; en la conmutación natural, la corriente del tiristor se reduce a cero debido a las características naturales del voltaje de entrada. En la conmutación forzada, la corriente del tiristor se reduce a cero mediante un circuito adicional llamado circuito de conmutación, dependiendo el proceso de desactivación de la corriente de carga. 15. ¿Por qué debe ser mayor el tiempo de polarización inversa disponible que el tiempo de desactivación de un tiristor? Para garantizar la desactivación de un tiristor, la desactivación del circuito (o la desactivación disponible) debe ser mayor que el tiempo de desactivación del tiristor, lo que normalmente queda especificado por el fabricante del tiristor. 16. ¿Cuál es el objetivo de conectar un diodo en antiparalelo a través del SCR principal con o sin inductor en serie? Hacer el papel de un circuito amortiguador para protegerlo contra tasas dildt y dv/dt excesivas. 17. Indicar los dispositivos de protección para los tiristores contra di/dt, dv/dt, dar ejemplos y explicar. PROTECCIÓN CONTRA DI/DT Un tiristor requiere un tiempo mínimo para repartir por igual la conducción de la corriente en las uniones. Si la rapidez de aumento de la corriente anódica es muy alta, en comparación con la velocidad de repartición de un proceso de activación, puede presentarse un calentamiento localizado, o "punto caliente" debido a alta densidad de corriente, y el dispositivo puede fallar como resultado de una temperatura excesiva. Se deben proteger los dispositivos prácticos contra una alta tasa di/dt. Por ejemplo, veamos el circuito de la figura 7.32. Bajo operación de estado permanente, Dm conduce cuando el

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tiristor TI está apagado. Si se dispara TI cuando Dm todavía está conduciendo, la tasa di/dt puede ser muy alta, y sólo la limita la inductancia parásita del circuito. En la práctica, la tasa di/dt se limita agregando un inductor L, en serie, como se ve en la figura. La tasa di/dt en sentido directo es:

Donde L, es la inductancia en serie, que incluye cualquier inductancia parásita.

PROTECCIÓN CONTRA DV/DT Si se cierra el interruptor SI en la figura 7.33a cuando t = O,se puede aplicar un escalón de voltaje a través del tiristor TI, y puede ser que la tasa dv/dt sea suficientemente alta como para encender el dispositivo. Se puede limitar la tasa dv/dt conectando el capacitor C, como se ve en la figura. Cuando el tiristor TI se activa, la corriente de descarga del capacitor se limita con el resistor R, como se ve en la figura. Con un circuito RC, llamado circuito amortiguador, el voltaje en el tiristor aumenta en forma exponencial, como se ve en la figura 7.33c, y la tasa dv/dt del circuito se puede determinar en forma aproximada con:

El valor de la constante de tiempo del amortiguador, T = RsCs, se puede determinar con esta ecuación, para un valor conocido de la tasa dv/dt. El valor de R, se determina a partir de la corriente de descarga ITD.

Es posible usar más de un resistor para la tasa dv/dt y descargar, como se ve en la figura 7.33d. La tasa dv/dt se limita con R, y Cs. La suma (Rl + R2) limita la corriente de descarga, de tal modo que:

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18. Triac.- Definición, estructura, cebado de un triac, característica de puerta, restricciones con respecto a la dv/dt, di/dt. Indicar las características técnicas del triac que va a utilizar en la práctica. El triac (triodo de corriente alterna) es un componente con tres terminales y derivado del tiristor, que puede considerarse eléctricamente como dos tiristores en anti paralelo. Presenta, sin embargo, dos ventajas fundamentales sobre este circuito equivalente: 



El circuito de control resulta mucho más sencillo al no existir más que un electrodo de mando. Puede bascular al estado conductor independientemente de la polaridad de la tensión aplicada al terminal de control.

Al igual que ocurría en el tiristor, el paso del estado de bloqueo al estado conductor solo se realiza por la aplicación de un impulso de corriente en el electrodo de mando; y el paso

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del estado conductor al estado de bloqueo se produce por la aplicación de una tensión de polaridad inversa, o por la disminución de la corriente por debajo del valor del mantenimiento  siendo este último el caso más utilizado. En la figura se representa su estructura interna, formada por seis capas de semiconductor. Los electrodos a los que se aplica la tensión principal a controlar se les denominan ánodo 2 (A2) o terminal 2, y ánodo 1 (A1) o terminal 1; al electrodo de control se le denomina puerta (G). el paso de la corriente principal se efectuara entre A2 y A1 , siendo el circuito de control el formado por G y A1.

Si dividimos la estructura interna del triac según un eje vertical, obtendremos los dos tiristores que lo forman: 2 − 2 − 1 − 1 , para tensiones de 2 positivas respecto de 1. 1 − 2 − 2 − 3 , para tensiones de 2 positivas respecto de 1 . 4  1forman la puerta para las distintas polaridades de esta terminal. En la Figura 4 se puede ver esta división, así como el sentido de circulación de la corriente (representado por una flecha) para ambas mitades del elemento. Si se polariza al triac con una tensión positiva en 2 respecto de 1con el terminal G al aire, y aumentamos el valor de esta polarización, se obtendrá una curva característica idéntica a la del tiristor en polarización directa, pero al contrario que este, si se invierte el sentido de la polarización se observa una curva simétrica de la anterior respecto del origen, tal como se muestra en la figura. Al igual que ocurría con el tiristor, si el terminal G se conecta a una fuente de tensión respecto de 1 , vemos que el momento del cebado del triac se adelanta respecto al anterior. Lo excepcional del triac es que este cebado se produce independientemente del sentido de la tensión aplicada a la puerta.   

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FUNCIONAMIENTO El principal empleo del triac es como regulador de potencia media entregada a una carga, pero debido a sus características de conducción bidireccional, solo será ventajoso respecto al tiristor en aquellas cargas que no requieran rectificación de la corriente alterna; por ejemplo, lámparas, radiadores eléctricos, etc; o en aquellas que no puedan ser controladas mediante corriente continua, por ejemplo, motores. Control de potencia por variación del ángulo de conducción Al igual que con el tiristor, el cebado del triac se realiza mediante una célula R-C que introduce un desfase debido a la constante de tiempo de carga del condensador. En el circuito de la Figura 14 se observa que la constante de tiempo está determinada por los valores de R + P y de C. El funcionamiento de este circuito es bastante sencillo. En el semiciclo positivo (A2 positivo respecto a A1), el condensador se carga a través de R+P con la misma polaridad que la tensión entre ánodos. Cuando se alcanza la tensión de cebado del diac, permitiendo que el condensador se descargue y produciendo un impulso de corriente que ceba al triac, la tensión de este último cae prácticamente a cero, aplicando, por tanto, toda la tensión de red a la carga.

Durante el semiciclo negativo, el funcionamiento es idéntico anteriormente, con las polaridades invertidas. La figura muestra las formas de onda implicadas en el circuito de la figura anterior.

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19. Indicar algunos circuitos integrados para disparo del triac, dar ejemplo de uso. Los relevadores de estado sólido (SSR) se usan en muchas aplicaciones, en control industrial, para sustituir a los relevadores electromecánicos. En el caso normal se aíslan eléctricamente entre el circuito de control y la carga.

Desde hace unos años se ha extendido ampliamente el uso de transistores TRIACS, para el control de cargas en corriente alterna, los mismos realizan una función de interruptor de corriente controlado por una corriente de disparo, por lo que el mismo tiene 3 terminales T1,T2 y G (Gate). Estos transistores han pasado a sustituir la labor que realizaban los relés por varios motivos: Menor coste Menor tamaño y por tanto menos espacio ocupado en placa PCB Mayor versatilidad, ya que el relé permitía el paso de corriente o la cortaba, el TRIAC permite a parte de esto el paso de una parte controlada de la onda alterna, pudiéndose regular la cantidad de onda (un ejemplo es su uso en los reguladores de luz caseros). Mayor velocidad de conmutación que un relé y menor desgaste, lo que amplía su durabilidad. En la figura puede verse una aplicación práctica de gobierno de un motor de corriente alterna mediante un triac (TXAL228). La señal de control (pulso positivo) llega desde un circuito de mando exterior a la puerta inversora de un ULN2803 que a sus salida proporciona un 0 lógico por lo que circulara corriente a través del diodo emisor perteneciente al MOC3041 (opto acoplador). Dicho diodo emite un haz luminoso que hace conducir al foto triac a través de R2 tomando la tensión del ánodo del triac de potencia. Este proceso produce una tensión de puerta suficiente para excitar al triac principal que pasa al estado de conducción provocando el arranque del motor.   

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