CONVERTIDORES DE CA

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CONVERTIDORES DE CA/CA TRIFÁSICOS DE FRECUENCIA CONSTANTE
 CICLO CONVERTIDORES MONOFÁSICOS
1. Introducción
Existen distintas maneras de controlar la transferencia de la energía eléctrica. El procesamiento y control de esta energía se lleva a cabo por medio de diferentes tipos de sistemas de potencia, que pueden estar formados por una o varias etapas.
La parte esencial de un sistema de potencia son los convertidores de potencia, estos difieren del tipo de alimentación que requieren y el tipo de carga al que se conectan. Por lo general, la alimentación de un sistema de potencia es la línea de alimentación de corriente alterna (CA) ya sea monofásica o trifásica.
En electrónica de potencia es usual categorizar a los sistemas de potencia en base a sus formas de entrada y salida o su frecuencia.
La mayoría de los sistemas de potencia tiene como entrada las líneas de alimentación de corriente alterna (CA), dependiendo de la aplicación, la salida del sistema de potencia a la carga que se analizará es una salida de corriente alterna (CA) de frecuencia constante.
En este capitulo analizaremos los ciclo convertidores monofásicos, así como los convertidores de corriente alterna en corriente alterna (CA – CA) trifásicos de frecuencia constante. 
2. Controladores de voltaje de corriente alterna.
Si un tiristor conmutador se conecta entre la alimentación de corriente alterna y la carga, es posible controlar el flujo de potencia variando el valor rms del voltaje de corriente alterna aplicado a la carga; este tipo de circuito de potencia se conoce como un controlador de voltaje de corriente alterna. Las aplicaciones más comunes de los controladores de voltaje de corriente alterna son: calefacción industrial, de derivaciones de transformadores cambio con carga, control de luces, control de la velocidad de motores de inducción polifásicos y control de los electromagnetos de corriente alterna.
2.1. Controladores Trifásicos de media onda.
En la siguiente figura aparece el diagrama de circuito de un controlador trifásico de media onda (o unidireccional) con una carga resistiva conectada en estrella. El flujo de corriente hacia la carga está controlado mediante los tiristores T1, T3 y T5; los diodos proporcionan la trayectoria de corriente de regreso. La secuencia de disparo de los tiristores es T1, T3, T5. Para que fluya la corriente a través del controlador de corriente, por lo menos un tiristor debe conducir. Si todos los dispositivos fueran diodos, tres diodos conducirían simultáneamente siendo ángulo de conducción de cada uno de ellos de 180°. 
Debemos recordar que un tiristor conducirá si su voltaje de ánodo es más alto que el de cátodo y se dispara. Una vez que un tiristor empieza a conducir, sólo puede desactivarse cuando su corriente disminuye a cero. 
Si VS es el valor rms del voltaje de fase de entrada y definimos los voltajes instantáneos de entrada como:
Entonces los voltajes de línea de entrada son:
Las formas de onda para los voltajes de entrada, los ángulos de conducción de los dispositivos y los voltajes de salida se muestran en la siguiente figura para α = 60° y para α = 150°. Debe notarse que los intervalos de conducción, mediante líneas punteadas no están a escala, pero tienen anchos iguales a 30°. Para 0 ≤ α ≥ 60°, dos o tres dispositivos pueden conducir en forma simultánea, y las combinaciones posibles son (1) dos tiristores y un diodo, (2) un tiristor y un diodo y (3) un tiristor y dos diodos. Si conducen tres dispositivos, ocurre una operación normal trifásica tal y como se muestra en la figura 3, y el voltaje de salida de una fase es el mismo que el voltaje de fase de entrada.
Las formas de onda para los voltajes de entrada, los ángulos de conducción de los dispositivos y los voltajes de salida se muestran en la siguiente figura para α = 60° y para α = 150°. Debe notarse que los intervalos de conducción, mediante líneas punteadas no están a escala, pero tienen anchos iguales a 30°. Para 0 ≤ α ≥ 60°, dos o tres dispositivos pueden conducir en forma simultánea, y las combinaciones posibles son (1) dos tiristores y un diodo, (2) un tiristor y un diodo y (3) un tiristor y dos diodos. Si conducen tres dispositivos, ocurre una operación normal trifásica tal y como se muestra en la figura 3, y el voltaje de salida de una fase es el mismo que el voltaje de fase de entrada.
Por otra parte, si dos dispositivos conducen al mismo tiempo, la corriente fluye sólo a través de dos líneas; la tercera línea se puede considerar como circuito abierto. El voltaje línea a línea aparecerá a través de dos terminales de la carga, tal y como se ve en la figura 3, y el voltaje de fase de salida será la mitad del voltaje de línea. 
La forma de onda para un voltaje de salida se puede deducir directamente de los voltajes de fase de entrada y de línea, notando que Van correspondería a VAN si los tres dispositivos conducen, a VAB/2 (o VAC/2) si conducen dos dispositivos, y a cero si la terminal α está en circuito abierto. Para 60° 
≤ α < 120°, en cualquier instante sólo conduce un tiristor, y dos diodos comparten la trayectoria de regreso. Para 120° ≤ α < 120°, solamente un tiristor y un diodo conducen en forma simultánea. 
El ángulo de extinción β de un tiristor se puede retrasar más allá de 180°. Para α =60°, el ángulo de extinción β se retrasa hasta 180°. Esto se debe a que un voltaje de fase de salida puede depender del voltaje línea a línea de entrada. Cuando VAB se hace cero en ωt = 150°, la corriente del tiristor T1 puede continuar fluyendo hasta que VCA se convierte en cero en ωt = 210° y un ángulo de retraso de α = 210° da un voltaje (y una potencia) igual a cero.
Los pulsos de compuerta de los tiristores deberán ser continuos, por ejemplo, el pulso de T1 deberá terminar en ωt = 210°. En la práctica, los pulsos de compuerta están formados por dos partes. El primer pulso de T1 empieza en cualquier momento entre 0 y 150° y termina en ωt = 150°, y el segundo, que puede empezar en ωt = 150°, siempre termina en ωt = 210°. Esto permite que la corriente fluya a través del tiristor T1 durante el periodo 150° ≤ ωt ≤ 210° aumentando el rango de control de voltaje de salida. El rango de retraso es: 0 ≤ α ≤ 210°.
La expresión para el voltaje rms de fase de salida depende del ángulo de retraso. El voltaje rms de salida para una carga conectada se puede determinar como sigue. Para 0 ≤ α ≤ 90°. 
Para 90° ≤ α ≤ 120°:
Para 120° ≤ α ≤ 210°:
En el caso de una carga conectada en delta, el voltaje de fase de salida deberá ser el mismo que el voltaje de línea a línea. Sin embargo, la corriente de línea de la carga dependerá del número de dispositivos que conduzcan simultáneamente. Si conducen tres dispositivos, las corrientes de línea y de fase seguirán la relación normal de un sistema trifásico. Si la corriente en la fase α es iab = Im.Senωt, la corriente de línea será ia = iab – ica = Im.Sen(ωt – π/6). Si conducen al mismo tiempo dos dispositivos, una terminal de la carga se puede considerar como circuito abierto, e ica = ibc = -iab/2. La corriente de línea de la carga será ia = iab – ica = (3 Im/2).Sen ωt = 1.5 Im.Sen ωt.
2.2. Controladores Trifásicos de onda completa.
Los controladores unidireccionales, que contienen corriente de entrada de corriente directa y un contenido de armónicas más alto debido a la naturaleza asimétrica de la forma de onda del voltaje de salida, no se utilizan normalmente en los impulsores para motores de corriente alterna; por lo general se utiliza un control bidireccional trifásico. La operación de este controlador es similar a la de un controlador de media onda, excepto porque la trayectoria de la corriente de regreso está dad por los tiristores T2, T4 y T6 en vez de los diodos. La secuencia de disparo de los tiristores es T1, T2, T3, T4, T5, T6.
Si definimos los voltajes instantáneos de entrada por fase como
Los voltajes instantáneos de línea de entrada son: 
En la siguiente figura se muestra las formas de onda de los voltajes de entrada,los ángulos de conducción de los tiristores y los voltajes por fase de salida, para α = 60° y para α = 120°. Para 0 ≤ α < 60°, dos tiristores conducen inmediatamente antes del disparo de T1. Una vez disparado T1, conducen tres tiristores. Un tiristor se desconecta cuando su corriente intenta invertirse. Las condiciones se alternan entre dos y tres tiristores en conducción.
Para 60° ≤ α < 90°, sólo conducen dos tiristores en todo momento. Para 90° ≤ α < 150°, aunque conducen dos tiristores en todo momento, existen períodos 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°. 
Al igual que los controladores de media onda, expresión del voltaje de fase rms de salida depende del rango de los ángulos de retraso. El voltaje rms de salida para una carga conectada en estrella se puede determinar de la siguiente manera. Para 0 ≤ α < 60°. 
Para 60° ≤ α < 90°:
Para 90° ≤ α < 150°:
	3. Cicloconvertidores.
	En muchas aplicaciones se necesita disponer de potencia eléctrica de frecuencia, fija o variable, pero distinta característica que la suministrada por el generador que se dispone. Por tanto deberemos colocar un dispositivo entre la red eléctrica y la carga de forma que se transforme la energía eléctrica cambiando su frecuencia según sea necesario. A los convertidores directos de corriente alterna en corriente alterna de distinta frecuencia se les conoce como cicloconvertidores. Estos sistemas serán capaces de proporcionar una corriente alterna mono o polifásica de amplitud y frecuencia regulables, a partir de un generador de c.a. 
	La misma función que realiza el cicloconversor, 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 será menor. En este tipo de configuración se utiliza un estado intermedio, de unión entre el rectificador y el inversor. Dicho elemento de unión, conocido como “dc link o dc bus” consiste en un condensador o un inductor para almacenar la diferencia instantánea entre la potencia de entrada y la de salida. A este conversor ac-ac con dc-link, se le conoce como “dc link converter”.
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. 
3.1. Cicloconvertidores monofásicos.
Dos convertidores monofásicos controlados se operan como rectificadores de fuente. Sin embargo, sus ángulos de retraso son tales, que el voltaje de salida de uno de ellos es igual y opuesto al del otro. Si el convertidor P está operando solo, el voltaje promedio de salida es positivo, y si el convertidor N está operando, el voltaje de salida es negativo.
Si αp es el ángulo de retraso del convertidor positivo, el ángulo de retraso del convertidor negativo es αn = π - αp. El voltaje promedio de salida del convertidor positivo es igual y opuesto al del convertidor negativo
Al igual que los convertidores duales, los valores instantáneos de salida pueden no resultar iguales. Es posible que circulen grandes corrientes armónicas entre ambos convertidores.
Se puede eliminar la corriente circulatoria suprimiendo los pulsos de compuerta hacia el convertidor que no está suministrando corriente de carga. Un ciclo convertidor monofásico con un transformador con derivación central, tiene un reactor de inter grupo, que mantiene un flujo continuo y también limita la corriente circulatoria. 
Formas de onda para cargas resistivas 
Figura 8. Ciclo convertidor monofásico/monofásico 
Los recientes avances de la tecnología microelectrónica están promoviendo actualmente una tendencia hacia la digitalización de procesos. En el ámbito de la Electrónica de Potencia esta tendencia se manifiesta en el control de los dispositivos semiconductores de potencia por medio de un circuito integrado digital, microprocesador y ASIC fundamentalmente. El Control de Fase es una técnica para circuitos de corriente alterna que permite controlar la potencia que se entrega a una carga. Su principio de funcionamiento se basa en la variación del instante inicial de ignición del semiconductor de potencia, que permitirá el paso de la corriente hasta el final del semiciclo de la red eléctrica. Frente a los tradicionales métodos analógicos de generación de ángulos de disparo, en este trabajo se desarrolla un método estrictamente digital que incorpora técnicas de control. Para ello se realiza una modelización del circuito controlador de fase y se analizan las posibles leyes de control a implementar. La ley finalmente aceptada debe poseer una complejidad arquitectural reducida, con el fin de implementarla en un circuito integrado digital. Entre las posibles alternativas tecnológicas se emplea el ASIC como soporte del algoritmo de control de fase desarrollado. Dada su naturaleza digital, el controlador de fase obtenido genera ángulos de disparo más precisos e inmunes a las pertubaciones de la red eléctrica. Además, resulta más robusto frente a las derivas y degradaciones de los componentes electrónicos. Finalmente, aplicado al control de Fase de lámparas halógenas a través de transformador, el algoritmo propuesto ha gobernado correctamente un gran número de cargas o transformadores, con mejores resultados que los controladores convencionales.
El TCA785 es un circuito integrado de control de fase desarrollado por Siemens y posterior al TCA 780 y TCA 780D. Debido a las características de las señales que es capaz de proporcionar es ideal para controlar el disparo de los dispositivos de potencia. Aunque su uso es muy variado y abarca un amplio número de aplicaciones dentro del mundo de la electrónica, sus características hacen de él un candidato inmejorable para formar parte del bloque de control de un sistema de potencia; en concreto formaría el enlace entre el núcleo del bloque de control y la parte de potencia, generando las señales oportunas en función de unas consignas de entrada.
RECTIFICADORES TRIFÁSICOS Y POLIFÁSICOS. Puente
Trifásico
El montaje puente es equivalente al
montaje serie en oposición de fase,
pero se ahorran devanados de
transformadores.
RECTIFICADORES TRIFÁSICOS Y POLIFÁSICOS. Puente
Trifásico. Armónicos
Armónicos de la corriente IR (normalizada con Id)
Conmutación no instantánea en un puente trifásico
PUENTE RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA
Fig 7. 44
Montaje para el rectificador
trifásico de onda completa. Se
utiliza para aplicaciones de alta
potencia.
Este tipo de circuitos se puedeestudiar dividiéndolo en dos partes:
Rectificador tipo P: Será la parte de circuito compuesta por los diodos D1, D2, D3, y que tiene un comportamiento igual a un rectificador trifásico de media onda. En cualquier instante permitirá conectar a la carga el más alto de los voltajes trifásicos.
Rectificador tipo N: Está compuesto por los diodos D4, D5, D6, y en cualquier instante permitirá conectar a la carga con el más bajo de los tres voltajes de alimentación.
Con la unión de ambas partes conseguimos que durante todo el tiempo se conecte el más alto de los tres voltajes a uno de los terminales de la carga y al otro terminal de la carga se conecte el más bajo de dichos voltajes.
En la figura que se muestra a continuación podemos observar como la parte superior de la forma de onda es la del grupo tipo P, y la inferior la del tipo N. Así, el voltaje en la carga puede considerarse como la suma de los voltajes de dos rectificadores de media onda trifásicos, con relación al neutro “n”.
Fig 7. 45
Formas de onda del puente rectificador trifásico.
En la figura 7.46, para la tensión en la carga vemos seis pulsos con una duración de π/3, provocando
en cada periodo una secuencia de conducción de los diodos tal que:
D3D5; D5D1; D1D6; D6D2; D2D4; D4D3
La secuencia de conducción se corresponde con los seis voltajes senoidales por ciclo, y cuya
diferencia de voltajes es:
vcn-vbn; van-vbn; van-vcn; vbn-vcn; vbn-van; vcn-van
El máximo voltaje será max 3V .
En la siguiente página también se muestra un diagrama fasorial donde se pueden apreciar los voltajes
compuestos, tomando Vab como origen de fases.
Fig 7. 46
Formas de onda del puente rectificador trifásico.
Fig 7. 47
Diagrama fasorial