Convertidor Monofasico CA - CA

7/23/2019 Convertidor Monofasico CA - CA

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Electrnica de Potencia Pgina - 1 -

Convertidores monofsicos de alterna a alterna -V1-1 Electiva III

CONVERTIDORES MONOFASICOS DE ALTERNA A ALTERNA

CONEXIN ANTIPARALELO - INTRODUCCN

La disposicin de dos tiristores en conexin antiparalelo (fig. 1) brinda la posibilidad de

controlar la energa proveniente de una fuente de tensin alterna y que es entregada a una

carga tambin de alterna sin que se modifique la frecuencia de la red de alimentacin.Se pueden distinguir dos casos netamente diferentes de funcionamiento, acorde con la

aplicacin; como interruptor propiamente dicho y como regulador de la corriente que

llega a la carga.

En ambos casos el circuito funciona con uno de los tiristores en conduccin permaneciendo el

otro cortado y con polarizacin inversa, debido a la cada de tensin directa del que se

encuentra en conduccin, o, con los dos cortados.

El tiristor que conduce, lo har hasta que la corriente por l tome un valor por debajo de la

corriente de mantenimiento, en cuyo momento el otro tiristor estar en condiciones de

conducir a partir de que la tensin en el nodo sea positiva y suficiente para hacer circular una

corriente mayor a la de mantenimiento.. Es precisamente esta condicin que hace que el

circuito de control para el encendido de los tiristores, deba cumplir ciertas exigencias con

respecto al pulso de encendido.

Figura 1 Figura 2

1-FUNCIONAMIENTO COMO INTERRUPTOR

1-1

FundamentosEn este caso la funcin de los tiristores es controlar el tiempo o nmero de ciclos que la carga

debe permanecer conectada a la red, sin recortar la onda de tensin de alimentacin,

establecindose durante el tiempo de conduccin un funcionamiento en rgimen estable de

tensin y corriente oficiando el par de tiristores como un verdadero interruptor cerrado.

De esta manera la carga es conectada y desconectada con suficiente precisin acorde a un

programa o control prefijado que acta sobre el circuito de encendido de los tiristores. Estetipo de funcionamiento se aplica a diversas situaciones donde la carga tiene una componente

inductiva y se requiere que no haya transistorios de corriente como veremos durante el

desarrollo del tema.

Una aplicacin fundamental de esta forma de operacin es en SOLDADURA POR

RESISTENCIA O POR PUNTOS, (Fig. 2).

La energa activa es la que se transforma en calor produciendo la fusin de los metales a

soldar, ubicados entre los dos electrodos de la mquina.


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Figura 3

La corriente se encuentra desfasada en un ngulo en atraso con respecto a la tensin (fig.3)

debido a la inductancia del circuito: la cual est compuesta fundamentalmente por la suma de

la inductancia de dispersin del transformador y la inductancia que presenta el lazo del

circuito secundario que puede variar segn los elementos a soldar.

La corriente resulta in-interrumpida, gracias a que los pulsos de encendido son de larga

duracin. En efecto, aplicado el pulso, mantiene activado la compuerta a la espera de que seproduzcan las condiciones para que el tiristor conduzca, lo que tendr lugar luego de que la

corriente del otro tiristor se haga cero.

En la fig. 3, el encendido del tiristor T2 se produce un instante luego de 2, cuando la

corriente i1se hace cero y comienza a circular i2como continuacin de aquella.

Esta conduccin se establece sin dificultad, pues la compuerta del tiristor T2 se encontraba

activado con el pulso iG2


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De esta manera, el ngulo 1de encendido de los tiristores resulta siempre coincidente con los

posibles ngulos de desfasaje entre corriente y tensin, establecidos por la carga en sus

diferentes formas de trabajo; acorde a las exigencias requeridas por el material a soldar.

Cabe mencionar que la fig. 3 muestra a la corriente de carga en rgimen permanente, es decir,

despus de haber transcurrido los primeros ciclos en que tiene lugar el rgimen transitorio.

En esta aplicacin, es fundamental el uso de tiristores, dado que las exigencias de lassoldaduras de punto en lo que a tiempos se refiere es la siguiente.

El tiempo de aplicacin de la corriente es de pocos segundos, pero en la mayora de los casos,

la soldadura se hace aplicando la corriente en forma discontinua, por ejm. un caso puede ser 5

ciclos de la frecuencia de lnea, 4 ciclos apagados, 5 ciclos nuevamente y as sucesivamente

cuatro, cinco o seis veces. Es obvio que un contactor mecnico no pude responder a este

rgimen. Por una parte por el envejecimiento prematuro, por otra parte los tiempos no son tan

exactos y no es posible sincronizar la conmutacin del contactor con el comienzo de cada

ciclo de la corriente.

Cabe destacar que las soldaduras para controlarlas, hay que efectuar un ensayo destructivo de

la pieza, por lo tanto la nica forma de asegurar la calidad es de que todos los parmetros que

influyen en la soldadura sean repetibles en cada una.

De esta manera, efectuando un ensayo cada una cierta cantidad de soldaduras, si estas resultansatisfactorias, podemos decir que las intermedias tambin cumplen con las exigencias.

Otra aplicacin es en equipos de Rayos X medicinales. En estos ltimos aos, las tcnicas

radiogrficas han evolucionado y una de las exigencias es de obtener placas radiogrficas en

tiempos muy cortos, del orden de los pocos ciclos, ( 20 a 100 mseg. aprox).

Un contactor mecnico, adems de no contar con la repetibilidad necesaria, el hecho que

conmute en cualquier parte del ciclo hace que el transitorio de inicio, produzca tensiones en el

secundario distintas para cada posicin del arranque y por lo tanto distintas tensiones en cada

disparo. La variacin de la tensin en las tcnicas de Rayos X es muy importante en la calidad

radiogrfica. Se debe tener en cuenta que repetir una placa radiogrfica significa "radiar" al

paciente dos veces con "radiaciones ionizantes". Estas radiaciones pueden producir

alteraciones en el ADN y derivar en tumores malignos.

1-2

Elementos para la conexin antiparalelo.

La conexin antiparalelo destinada a las mquinas de soldar, puede implementarse con

tiristores; con vlvulas ignitrones; bien con un elemento especialmente fabricado, que

compite comercialmente con las ignitrones; compuesto de dos tiristones diseados para

soportar grandes pulsos de corriente.

Este par de tiristores viene en una nica cpsula con la correspondiente disipacin a aire

agua. En este ltimo caso, el conjunto recibe el nombre de IGNISTOR. Estos elementos se

estudian en captulo aparte.

1-3

Ventajas e inconvenientes

La conexin antiparalelo en estas aplicaciones recibe el nombre tambin de interruptor

esttico y sus ventajas sobre cualquiera de los interruptores mecnicos o electromecnicos

son evidentes cuando el nmero de operaciones diarias es elevado y los tiempos requeridos

para la conexin desconexin son breves.

Las principales ventajas son:


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- No existe tableteo rebote de los contactos.

-

La conexin se establece en el instante mismo en que el circuito de control lo

ordena con su pulso de encendido.

-

La desconexin puede lograrse con elevada precisin, siempre que se trate de ciclos

enteros, recordar que los tiristores se apagan por falta de corriente , o sea que nunca se

podrn apagar en otra parte del ciclo que no sea el fin de este, excepto que se usen

disposiciones especiales de apagado que no corresponden a este tema. La desconexinse produce para el instante en que la corriente es nula evitando as las sobre-tensiones,

dado que la energa inductiva en la carga es cero en ese instante.

-

Debido a que los tiempos de encendido y apagado de estos elementos son muy

pequeos comparados con la frecuencia industrial de 50 ciclos, esta conexin puede

emplearse para operar a frecuencias ms elevadas. Recordar que los rdenes de

magnitud de encendido y apagado de llos tiristores es de 1 y 10 seg

Las desventajas principales son:

- Las sobrecargas se encuentran determinadas de acuerdo al rgimen de trabajo y en

consecuencia limitadas por problemas de disipacin en mayor grado que en los

interruptores electromecnicos.

-

Como interruptor, su cada de tensin de contacto es muy elevada:

Para un interruptor mecnico, es del orden de los milivoltios; para los tiristores oignistores a altas corrientes, puede estar entre 2 y 4 V y para los ignitrones alcanza los 25

V.

Sin embargo las exigencias requeridas por las mquinas de solar, solos pueden ser

satisfechas por estos "interruptores estticos, y las desventajas de la disipacin son

ampliamente superadas por los beneficios de la precisin en los tiempos de control.

Cabe mencionar que para otras aplicaciones, como se ha visto en el captulo de

TIRISTORES, para cargas muy pequeas, el funcionamiento del circuito puede lograse

mediante un Triac. Cabe destacar que en los Triac , las corrientes mximas de trabajo

estn en el orden de pocas decenas de Amp.

2- FUNCIONAMIENTO COMO REGULADOR

2-1

Fundamento

En este caso, el circuito de la fig. 1 est destinado a regular el valor de la corriente eficaz I

que debe suministrarse a la carga. Esto se logra desfasando las seales de encendido,

retrasndolas convenientemente. La corriente dejar de ser in-interrumpida para

convertirse en pulsante cuya forma de onda depender de la relacin entre resistencia e

inductancia de la carga, disminuyendo su valor a medida que se haga mayor el retraso con

que se encienden los tiristores. Los elementos que satisfacen este modo de funcionamiento

son los mismos que se mencionaron para el caso de operacin como interruptor, siendo noobstante, los tiristores los que se emplean en prcticamente todos los casos; salvo en

aplicaciones de muy pequea potencia donde suelen emplearse triac.

Se analizan a continuacin los circuitos con carga resistiva y luego el caso con carga

resistiva-inductiva con distintas relaciones R-L.


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2-2

FUNCIONAMIENTO CON CARGA RESISTIVA

La Carga del circuito de la fig. 1 est formada por resistencias y encuentra aplicaciones en

tratamientos trmicos; calefaccin; distintos tipos de hornos a resistencias; etc.

Para este tipo de carga, la conexin antiparalelo de tiristores (o triac) presenta la

regulacin tradicional por variacin del ngulo 1de encendido (fig. 4) para cada tiristor.

La forma de onda de tensin y corriente aplicada a la carga coinciden y salvo aplicaciones

de muy baja corriente, el ngulo de apagado 2 puede tomarse coincidente con ydespreciarse la pequea cada de tensin directa en el tiristor que conduce.

Las ecuaciones correspondientes al circuito son:

R

senwtEmi

.= ( 1 ) para 1< t < ; 1+< t < 2

i= 0 durante el resto del perodo

El valor eficaz de la corriente es:

I = 2

1

2

22.2

2

1

R

ttdsenEm (2)

tomando 2= y resolviendo se obtiene:


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I =

14

2

22

2tt

R

Em =

+

4

2

22

1 112

2sen

R

Em

introduciendo el valor eficaz de la tensin :2

EmE=

I =

2

21 11

sen

R

E+ (3)

La corriente se podr variar desde su valor mximo E/R hasta cero, haciendo variar

respectivamente el ngulo 1de cero a .

Los pulsos de encendido a pesar de que la carga es resistiva, deben tener una duracin

bastante apreciable, por ejemplo 1 mseg ms para frecuencias de 50 hertz; a efectos de

evitar que el encendido en las proximidades de cero grado, se convierta en errtico, lo

cual producira una discontinuidad en el funcionamiento, con golpes intermitentes decorriente.

La necesidad de pulsos de gate de larga duracin qued tambin evidenciada en el

funcionamiento como interruptor esttico donde la condicin era lograr una corriente de

carga ininterrumpida.

2-3 FUNCIONAMIENTO CON CARGA R.L.

Funcionando como circuito regulador, la finalidad es controlar la corriente en cada

semiciclo, al igual que en el caso de carga resistiva. Sin embargo las posibilidades de

regulacin se reducen debido al argumento que presenta la carga. Esta carga puede ser

un motor de c.a.

Como quedar demostrado a continuacin, es necesario distinguir dos tipos diferentes defuncionamiento correctos normales y un tercer tipo de funcionamiento incorrecto

inapropiado.

Estos tipos se pueden resumir as:

-

Corriente de carga ininterrumpida; funcionamiento normal: se obtiene con < y

pulsos de encendido de larga duracin.

-

Corriente de carga rectificada; funcionamiento incorrecto: se produce con < y

pulsos de encendido de corta duracin.

- Corriente de carga pulsante alterna; funcionamiento normal: se obtiene para > y es

independiente de la duracin de los pulsos de encendido.

2-3-1

FUNCIONAMIENTO CON 1 INFERIOR A Y PULSOS DE LARGADURACIN

Este caso tiene un funcionamiento similar al estudiado en la aplicacin de interruptor esttico.

Sin embargo en la fig. 3, la corriente de carga dibujada es la de rgimen permanente, que se

obtiene despus de que la componente transitoria se haya extinguido.

Al conectar el circuito a la red, durante el primer semiciclo, y siendo 1distinto que , se

origina una corriente de carga compuesta de la corriente de rgimen permanente y la corriente

transitoria.


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En el siguiente anlisis se podr demostrar que el rgimen de funcionamiento se estabiliza,

desapareciendo la componente transitoria de la corriente, luego de algunos ciclos, si los

pulsos de encendido son de larga duracin como para evitar que ninguno de los tiristores

quede sin conducir en su correspondiente semiciclo (fig. 5).

Figura 5El tiristor 1 se dispara en 1establecindose la corriente i en el circuito de la fig. 1 donde se

verifica:

tsenEmiRdt

diL .. =+ (4)

de donde se obtiene que:


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)(

1

1

)()(

=t

L

R

esenz

Emtsen

z

Emi (5)

donde22

)( LRz += , que es la impedancia de la carga y tgR

L =

al primer trmino de la ecuacin 5 lo llamamos ifque es la corriente de rgimen permanente y

al segundo ilque es la componente transitoria.

o sea i = if+ iL (5 a)

Dado que 1< resulta iLpositiva, al igual que ify la suma de ellas da la corriente i del

circuito .

Como las condiciones iniciales de la corriente, son nulas. Ella comienza en 1con valor cero,

es decir que en ese instante los valores de if e iL son iguales y opuestos. Esto mismo se

verifica al final de la conduccin, en 2, cuando i se anula dejando de conducir el tiristor 1.

En este momento, el tiristor 2 comienza a conducir ya que est polarizado directamente y el

pulso de encendido, an persiste en su gate.

Pero este ngulo 2, de encendido para el tiristor 2, se encuentra ubicado despus de + . Es

decir que para este tiristor la condicin impuesta de 1< para el tiristor 1, no se cumple y

resulta precisamente invertida, o sea 2> + > +1

En consecuencia el trmino iL de la ecuacin ( 5 a) seguir siendo positivo durante este

semiciclo mientras que if es negativo y por lo tanto se restan resultando la corriente i ms

chica que la del semiciclo anterior.

Esta corriente circula por el tiristor 2 hasta un ngulo mayor que 2 + 1 reduciendo la

diferencia inicial que exista entre y 1.

Como el ngulo 2 define el valor de iL al finalizar la conduccin del primer semiciclo y

tambin al comenzar la conduccin en el semiciclo siguiente, sta corriente no presentadiscontinuidad y al cabo de unos ciclos se anula quedando nicamente la corriente i f de

rgimen permanente.

De esta manera, el circuito en su funcionamiento logra Autorregularse tendiendo al rgimen

permanente donde el encendido de los tiristores se producir para 1= y

2= + como se mostr en fig. 3.

El valor eficaz de la corriente resulta entonces.

222LR

EI

+= (6)

que es el valor mximo posible que puede alcanzar en rgimen permanente.

La posibilidad de regulacin se obtiene al ir aumentando 1, con lo cual la corriente eficaz irdisminuyendo.

2-3-2 FUNCIONAMINETO CON 1INFERIOR A Y PULSOS DE CORTADURACION

Se hace referencia a la fig. 6 que muestra los pulsos de corta duracin; dando comienzo a la

conduccin el pulso ig1


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Figura 6

Durante el primer semiciclo el funcionamiento del circuito es idntico al caso anterior, donde

por el tiristor 1 circular la corriente i que se inicia en 1 y se anula en 2. En este

momento el tiristor 2 se encuentra polarizado directamente, pero el pulso de su gate ya no

existe y consecuentemente el tiristor 2 no conduce.

La aplicacin del pulso ig2 en + 1no produce efecto positivo puesto que el tiristor 2 an se

encontraba polarizado inversamente por la cada de tensin en el tiristor 1 que estaba

conduciendo.

As es que el tiristor 2 no conduce y la corriente i es cero, hasta que en 2+ 1 se activa

nuevamente el tiristor 1, repitindose los regmenes de corriente del primer semiciclo.


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El resultado es que el circuito funciona como un rectificador, pudiendo ocasionar serios

inconvenientes, ya que la carga salvo casos especiales, es para operar con c.a.

Este inconveniente se produce cuando hay cargas inductivas con ncleo de hierro, en las

cuales la componente de continua, satura el ncleo y por lo tanto la impedancia baja a valores

muy bajos y consecuentemente la corriente se eleva a valores que sobrepasan los admisible

del diseo.

2-3-3 FUNCIONAMIENTO CON 1MAYOR QUE

En la fig. 7 se observan las ondas de tensin de cada tiristor conduciendo y las componentes

que dan origen a la corriente i que se establece en cada semiciclo .

La corriente i viene dada por la misma expresin (5); obtenindose en este caso que la

componente iLes de signo opuesto a if.

En 1, y 2 los valores de if e iL son iguales y de signos contrarios, al igual que en el caso

estable estudiado anteriormente, con lo que la corriente i en estos instantes es nula. En 2el

tiristor 1 deja de conducir, permaneciendo ambos tiristores inactivos hasta que en + 1por

aplicacin de un pulso al gate del tiristor 2, ste conduce. La corriente i en este semiciclo,para condiciones de carga invariables, resulta igual y opuesta a la del semiciclo anterior,

obtenindose en consecuencia una corriente de carga con valor medio igual a cero, mientras

que su valor eficaz podr variarse desde su mximo E/Z que se manifiesta para 1= hasta

cero que corresponde a 1= . Siendo stos los lmites posibles de variacin, o sea > >

.

En efecto: para 1 > no habr conduccin debido a que la tensin andica del tiristor

correspondiente es negativa.

Para 1= la componente transitoria iLes nula y la corriente i de carga es la iftal como se

analiz anteriormente.

En el funcionamiento descrito, no se requiere que los pulsos de gate sean de larga duracin;

sin embargo para ngulos de encendido prximos a puede ocurrir que al variar las

condiciones de carga del motor, los nuevos valores de se hagan mayores que 1en cuyo

caso, para no caer en el rgimen de funcionamiento inadecuado, como rectificador, ser

necesario condicionar a que los pulsos sean de larga duracin.

Es oportuno observar que estos pulsos en algunas aplicaciones cubren todo el semiciclo. En

algunos casos es una tensin continua, debidamente aplicada y en otros es una sucesin de

pulsos de alta frecuencia.


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Figura 7

3- APLICACIN A UNA MAQUINA DE SOLDAR

En la fig. 8 se representa un circuito simplificado de una mquina de soldar por puntos.El circuito de potencia de alta corriente est formado por los tiristores T1y T2 en conexin

antiparalelo y el transformador Tr habindose omitido los restantes elementos que hacen a la

conexin, proteccin y medicin de este circuito. El secundario de Tr es el que provee la

corriente de soldadura propiamente dicha; la cual se establece una vez que los electrodos

puntas cierren el circuito secundario sobre las partes a soldar y el circuito de control dispone

la activacin de los tiristores.


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El circuito inherente al transistor unijuntura Q1 es uno de los osciladores de relajacin

conocido. Acta en sincronismo con la tensin de alimentacin, debido a la accin que en

cada semiciclo brinda el diodo Zener D5.

Figura 8

Los pulsos de disparo, generados por este circuito, se trasmiten a travs del transformador de

pulsos Tr2 a los dos gates de los tiristores auxiliares Tr3y Tr4en forma simultnea. Uno de

estos dos tiristores, sea el T3 tendr tensin andica positiva proveniente del transformador

auxiliar Tr1, y se pondr en conduccin mientras que el otro tiristor se encuentra con tensin

andica negativa y no conduce.

El tiristor auxiliar en conduccin, se mantiene as hasta el final del semiciclo, a travsprecisamente del gate del correspondiente tiristor de potencia Tl, brindando en consecuencia

la posibilidad de encendido seguro de este tiristor; tal como se requera en los anlisis

efectuados precedentemente.

Para que la corriente resulte ininterrumpida los tiristores auxiliares deben excitarse al

comienzo de su respectivo semiciclo, condicin sta que debe ser satisfecha por el circuito

generador de pulsos, resultando en consecuencia muy breve su perodo de oscilacin, con lo

cual generar varios pulsos por cada semiciclo. No obstante es necesario insistir aqu en que


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el pulso que debe producir la conduccin de los tiristores auxiliares, es el primero y no

cualquiera de ellos, a efectos de lograr el funcionamiento correcto del circuito.

Circuitos de encendido ms elaborados pueden formarse con un generador de pulsos de alta

frecuencia (hasta de 10 KHz.) Este tren de pulsos es aplicado en el instante deseado a travs

de circuitos de sincronizacin, directamente a los tiristores de potencia.

La duracin del tiempo de soldadura est determinada por la conduccin del tiristor T5

controlado por un circuito temporizador Te que permite regular la duracin de dicho tiempo.Para el circuito vinculado al T3, al igual que para el del T4 tenemos: D8 es un diodo zener

que limita la tensin mxima que llega al gate de Tlen el instante inicial de conduccin de T3,

a efectos de limitar la potencia aplicada al mismo .

R6 es requerida para normal funcionamiento de D8.

R8 y C3 facilitan que la llegada del pulso al gate del T 1 en su instante inicial, sea con su

mxima amplitud dada por la tensin del diodo zener D8; asegurando la excitacin del gate en

este instante. Luego se mantendr excitado con una corriente limitada por R8; a la espera de

que deje de conducir el T2para reiniciar la conduccin el T1.

Como acotacin de carcter prctico, puede mencionarse que las mquinas de soldar cuentan

con dispositivos no solamente, electrnicos, sino adems hidrulicos y electromecnicos

destinados a optimizar una operacin automtica, de funcionamiento seguro y calidad

uniforme.

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