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domingo, 11 de agosto de 2013

      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.
Recordando los rectificadores controlados, obtuvimos que un rectificador con tiristores, de índice de pulsación p, suministraba una tensión rectificada u’d formada por p fragmentos idénticos de senoide, por cada período de la tensión de alimentación. El valor medio U’d se expresaba como: ' cos ( ) U 'd= Udo α. Si se varía el ángulo de conducción  α desde cero hasta  π-β, donde  β es el ángulo de seguridad, la tensión U’d varía entre Udo y un valor próximo a -Udo. Sin embargo la corriente es unidireccional.

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.  


Por último en la parte (d) de la ilustración aparece realmente la tensión en bornes de la carga, donde su componente fundamental si que coincide con la tensión deseada de frecuencia angular w’, menor que w y amplitud V’√2 menor que V√2. De igual forma es evidente que el inconveniente de este ejemplo sencillo, reside en el elevado nivel de armónicos de la tensión en bornes de la carga.

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.

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