CICLOCONVERTIDORES
DEFINICIÓN
DE UN CICLOCONVERTIDOR.
Un
cicloconvertidor es una variador de frecuencia que funciona con conmutación
natural. Las tensiones alternas de salidas se obtienen por una sucesión de
fragmentos de las tensiones alternas de entrada. Dados el valor y la frecuencia
de las tensiones de entrada, el cicloconvertidor permite cambiar de forma
continua el valor la frecuencia de las tensiones de salida. Sin embargo, el
máximo de la frecuencia de salida es claramente inferior a la frecuencia de
entrada; se trata por lo tanto de un demultiplicador de frecuencia con relación
variable de forma continua.
Estos
convertidores utilizan las mismas conexiones de tiristores que los
rectificadores reversibles en corriente y tensión.
II.
PRINCIPIO
DE FUNCIONAMIENTO.
Para poder conseguir una circulación bidireccional de la
corriente, se dispondrán dos rectificadores en anti-paralelo, tal como se
muestra en la figura anterior. Con esta
configuración, para que la tensión V’ en bornes de la carga tenga el mismo
valor medio, sea cual sea el rectificador que la alimenta, se deberá exigir que
los dos ángulos de control α1 y α2 sean complementarios, verificando:
El
valor medio de la tensión de salida suministrada por el conjunto de los dos
rectificadores en anti-paralelo puede resultar con una componente alterna
distinta de cero, modulando de forma periódica sus ángulos de control. Así para
obtener una salida v’ senoidal, de frecuencia angular w’ y de amplitud V’√2, se
deben de variar los ángulos de control α1 y α2 para obtener:
Para
entender este principio de funcionamiento veamos en la siguiente figura la
tensión v’w deseada y la corriente i’ que correspondería a una carga
inductiva.
Durante
el intervalo t1-t3 la corriente i’
por la carga es positiva, por tanto conduce el rectificador positivo (cátodos
unidos) y la tensión de salida v’ corresponde a U’d1. Dentro de este intervalo
se pueden distinguir dos modos de funcionamiento:
- · Desde t1 a t2: v’ es positiva, lo cual indica que el rectificador 1 funciona como rectificador.
- · Desde t2 a t3: v’ es negativo y por tanto el rectificador 1 funcionará como ondulador.
Durante el intervalo t3-t5 la corriente en la
carga es negativa, siendo esta suministrada por el rectificador negativo
(ánodos unidos). Por tanto durante este intervalo la tensión de salida v’ será
igual a - U’d2. Al igual que con el intervalo anterior se pueden distinguir dos
modos de funcionamiento:
- · Desde t3 a t4: U’d2 es positiva, lo cual indica el funcionamiento del rectificador 2 en modo rectificador.
- · Desde t4 a t5: U’d2 es negativa, funcionando el rectificador 2 como ondulador.
En
realidad, la tensión v’w es
la componente fundamental de la tensión de salida real. En la figura anterior
se muestran las formas de onda correspondientes a un montaje de dos
rectificadores trifásicos de media onda en anti-paralelo, constituyendo un
ejemplo sencillo de un cicloconversor trifásico-monofásico. Dicho montaje se
corresponde con el esquema de la siguiente figura.
En
las formas de onda mostradas anteriormente, en la parte (b), se indica cómo la
tensión de salida v’w se
aproxima a la tensión del primer rectificador U’d1. Si αfuera nulo, u’d1a
estaría formado por las cúspides de las senoides de VA, VB y VC. Ahora
modulando los ángulos de cebado αde los tres tiristores, se obtienen arcos de
senoides cuya valor medio dan como resultante el valor de v’w. De igual manera en la parte (c) se muestra la
evolución de la tensión del rectificador 2 frente a la tensión de salida
deseada v’w.
Recordando
las características de los rectificadores, se obtenía que la tensión de salida
era tanto más próxima a la tensión continua sin ondulación, cuanto mayor es el
índice p de pulsación del rectificador. Ahora con el cicloconversor, cuanto
mayor sea el índice de pulsación p de los rectificadores que lo componen, mejor
será la aproximación de la tensión de salida a la tensión senoidal pura
deseada.
Este
hecho queda reflejado en la siguiente ilustración donde se muestra la tensión de salida
teórica (caso a) y las tensiones para el
caso de un índice de pulsación de 6 (caso b) y para un índice igual a 12 (caso
c)
III.
CICLORVERTIDORES AC/AC.
Convertidor que, a partir de una tensión de
entrada alterna, produce en la salida una tensión también alterna pero de
Características distintas, sea en valor eficaz, sea en frecuencia, o en ambas.
Cuando únicamente se altera el valor de la
tensión alterna (CA), tenemos los llamados reguladores de tensión alterna (o reguladores de
potencia alterna) y los que permiten obtener una salida con frecuencia distinta
a la presente en la entrada, son los Cicloconvertidores.
Reguladores de tensión alterna Los reguladores de
tensión alterna son convertidores estáticos de energía que permiten variar la
potencia entregada a una determinada carga. En general, se controla la potencia
mediante el control del valor eficaz de la tensión suministrada a la carga. De
ahí el nombre de reguladores o controladores de tensión alterna.
A los convertidores
directos de corriente alterna en corriente alterna de distinta frecuencia se
les conoce como ciclo-convertidores. Estos sistemas serán capaces de
proporcionar una corriente alterna mono o polifásica de amplitud y frecuencia
regulable, a partir de una generador de C.A. La misma función que realiza el
ciclo-conversor, puede ser realizada mediante la conexión en cascada de un rectificador,
controlado o no y un inversor autónomo, pero al ser la potencia transformada
por dos conversores, el rendimiento en casos de potencias elevadas es menor.
·
Conversión directa.
IV.
CICLOCONVERTIDOR CON TIRISTORES.
Los convertidores estáticos,
están compuestos de dos etapas de circuitos, en las cuales la primera parte es
un etapa rectificadora, que convierte potencia AC a potencia de DC (luego de
esta etapa para obtener un voltaje de corriente directa no pulsante se
encuentra la etapa de filtrado), pero la etapa de interés, ahora es la etapa
inversora la cual convierte potencia de DC a potencia AC, estos inversores son
necesarios para optimizar diferentes aplicaciones en la electrónica de
potencia, como:
w Variadores de frecuencia.
w Controladores de velocidad en motores de
inducción.
w Convertidores monofásicos a trifásico.
w Control de motores síncronos.
Figura
8.3: “Etapa de potencia”.
Etapa
de potencia:
a) Puente
trifásico (para el caso del equipo de cicloconvertidor).
b) Circuito
intermedio de tensión continúa con condensador de carga.
c) Transistores
de conmutación.
La
Figura 8.3 muestra la etapa en la que se observa que el inversor es
trifásico con sus respectivos diodos amortiguadores para que por allí circule
la energía reactiva que entrega el motor a la fuente y así establecer el flujo
de potencia bidireccional.
V.
APLICACIÓN.
La
principal aplicación de los cicloconvertidores se da en el control a baja
velocidad de grandes motores de c.a, donde es preciso variar la amplitud de la
tensión proporcionalmente a la frecuencia. Una ventaja importante de los
cicloconversores, reside en su funcionamiento con bloqueo de sus tiristores de
forma natural y su carácter reversible, haciendo posible que con cargas
regenerativas puedan absorber potencia de la carga y entregarla a la entrada.
Su
funcionamiento con conmutación natural implica que la entrada en conducción de
un tiristor debe provocar automáticamente el bloqueo del que ha entrado en
conducción anteriormente. Si se está en el semiciclo positivo de corriente,
este bloqueo natural exige que el voltaje que se conecta sea, en el momento
de la conexión, más positivo o menos
negativo que el voltaje antes conectado. Si por el contrario, se está en un
semiciclo negativo, los tiristores que entran sucesivamente en conducción son
los del rectificador negativo. Para que al entrar en conducción uno cualquiera
se bloquee el que antes estaba en conducción es necesario que la nueva tensión
que se conecta sea más negativa o menos positiva.
En
cuanto a sus limitaciones, destacar que la frecuencia que pueden suministrar en
la salida es aproximadamente inferior en un tercio a la frecuencia de la
entrada, si se desea un bajo contenido armónico en la salida.
Las aplicaciones
más comunes de éste tipo de reguladores son:
·
Calentamiento
industrial (control de temperatura).
·
Control de
intensidad luminosa en lámparas incandescentes.
·
Accionamiento de
motores de CA.
·
Arranque suave
de motores de inducción.
·
Compensación de energía
reactiva.
·
Control de
transformadores.
En aplicaciones de baja potencia se puede hacer uso de TRIACs, en
cuanto que para potencias más elevadas se utilizan 2 SCRs en anti-paralelo como
se muestra a continuación:
VI.
MODOS
DE CONTROL PARA LOS REGULADORES DE CORRIENTE ALTERNA.
Si bien existen diversos
modos de control para los reguladores de corriente alterna, los más utilizados
son:
A. Control; de paso por cero o por secuencia.
B. Control por ángulo de fase.
C. Control por amplitud.
A.
Control; ON-OFF; de paso por cero o por secuencia
El circuito de potencia es el que se muestra arriba El control por
secuencia consiste en conectar o desconectar la alimentación de la carga (en
general una resistencia) durante un determinado número de ciclos de la tensión
de entrada al regulador. De hecho, la regulación se consigue anulando la
tensión en la carga durante ciertos periodos de la tensión de alimentación. El
intervalo de conducción y el de bloqueo del interruptor es típicamente de
varios ciclos de la red. Este tipo de control se utiliza en aplicaciones que
tienen una gran inercia mecánica o una elevada constante de tiempo térmica, es
decir, se utiliza en situaciones en que la constante de tiempo de la carga es
mucho mayor que el período de la red CA, (por ejemplo, en el calentamiento
industrial o en el control de velocidad de grandes motores).
Dado que se suelen utilizar tiristores como elementos de control, su disparo se realiza en el paso por cero de la tensión de alimentación. Ello permite una reducción importante en el número de armónicos generados. El control electrónico lleva incorporado un detector de paso por cero y un contador de semiperíodos para saber en qué instante se debe disparar cada tiristor.
Un método para conseguir el control por secuencia es usar un generador de señal triangular de frecuencia fija que se compara con una señal continua de control. La señal diente de sierra establece la base de tiempo del sistema. La señal de referencia proviene del circuito de control de la variable a controlar (por ejemplo del circuito de control de la temperatura). La potencia entregada a la carga varia proporcionalmente a esta señal. Durante ciclos la carga permanece conectada a la alimentación, en cuanto queda ; ciclos permanece desconectada.
La figura de abajo se muestra una simulación de un control
;ON-OFF;, en el que se conecta la tensión de red a la carga durante 3 (n)
periodos completos y se desconecta durante 2 (m). La gráfica inferior
representa los pulsos que se dan a los SCRs. Las otras dos gráficas muestran la
tensión de entrada y la tensión de salida del convertidor.
Para una tensión
de entrada senoidal, considerando que se conecta la carga durante n ciclos de
la tensión de entrada y se desconecta m ciclos, la tensión eficaz de salida
puede obtenerse como:
Uno de los inconvenientes del método descrito es la presencia de
oscilaciones de baja frecuencia en la carga que se está alimentando. Por
ejemplo, en el caso de que la carga sea un motor, se pueden provocar
vibraciones mecánicas. En el caso de que la carga sea una lámpara, pueden
aparecer oscilaciones de baja frecuencia, apreciables por el ojo humano, nada
deseables. Para solucionar estos inconvenientes, se suele utilizar otro método,
denominado control del ángulo de fase, tal y como se describe en el siguiente
apartado.
B.
Control por ángulo de fase.
Uno de los métodos más comunes para variar el valor eficaz de una
tensión alterna es por medio del llamado control por ángulo de fase, en el
cual, dado un semiciclo de la red, el interruptor se acciona o dispara en un
determinado ángulo, haciendo que la carga esté conectada a la entrada por un
intervalo de tiempo menor o igual a un semiciclo. Dicho de otro modo, el
control por ángulo de fase, como su propio nombre indica, está basado en la
regulación del ángulo de disparo de los tiristores. Usualmente se habla de
ángulo de disparo, o ángulo de fase Alfa;, como el instante de tiempo
(expresado en grados) a partir del paso por cero de la tensión de entrada en el
que se dispara un tiristor. Para el caso de una carga resistiva, el ángulo de
disparo puede valer entre 0º y 180º. Los valores de tensión, corriente y
potencia en la carga dependerán, no solo del ángulo de disparo, como también
del tipo de carga alimentada, como se verá a continuación.
C.
Control por amplitud.
Este método de
control modifica la amplitud de la tensión aplicada a la carga utilizando un
transformador con una relación variable de espiras en el secundario. La
conexión del secundario del transformador a la carga se realiza mediante
interruptores de potencia, típicamente tiristores. Cada SCR accede a un punto
diferente del secundario, con lo que se varía la tensión aplicada a la carga.
La figura 6.7 muestra un esquema simplificado.
Recuerde que la relación de tensión en un
transformador es directamente proporcional al número de espiras (idealmente).
Para el regulador de la figura 6.7, si los 2
tiristores superiores están conduciendo, se tendrá una tensión de salida:
En el caso de que los tiristores inferiores
estén conduciendo, la tensión de salida será inferior al caso anterior y vendrá
dada por la siguiente expresión:
A modo de ejemplo, si
en la figura 6.8 suponemos que N1 = N2 = N3 = N, y se realiza un control por
amplitud con la siguiente secuencia: primero se dispara T3, luego T1, después
T4 y finalmente T2, se obtiene en la salida la forma de onda que se muestra en
la figura.
Observando dicha
figura, cuando se dispara T1 la amplitud en la salida se duplica,
puesto que el número de espiras que hay que tener en cuenta es N2 + N3 = 2N.
Cuando conduce T3, el número de espiras en el primario es igual al número de
espiras en el secundario, con lo cual la amplitud de salida es igual a la de
entrada. Lo mismo se puede deducir para el semiciclo negativo, donde los SCR
que conducen son T2 y T4. En éste caso, cuando conduce T4 la amplitud de salida
es el doble de la de entrada y cuando conduce T2 las amplitudes de entrada y
salida son iguales.
Obsérvese que de este modo, se modifica la
tensión de salida del convertidor. Como mayor inconveniente de este tipo de
sistemas es que la variación de tensión se realiza a escalones, con lo que si
se desea una regulación fina de tensión es necesario un número muy elevado de
secundarios y de interruptores de potencia, algo inviable económicamente.
