362945147-Controladores-de-Voltaje-de-Corriente-Alterna-b

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA ELECTRONICA DE POTENCIA 
FECHA: 04/07/2017 
 
1 
 
 
1 
 
CONTROLADORES DE VOLTAJE DE CORRIENTE ALTERNA 
 
García Sánchez Sebastián Enrique 
e-mail: sgarcias@est.ups.edu.ec 
 
Ordoñez López Freddy Felipe 
fordonezl@est.ups.edu.ec 
 
Quiña Pallasco Alexis Bladimir 
e-mail: aquinap@est.ups.edu.ec 
 
Sánchez Pozo Bryan David 
bsanchezp1@est.ups.edu.ec 
 
 
 RESUMEN: En el presente informe se definirá los 
parámetros referidos a los controladores de voltaje de 
corriente alterna, sus distintas denominaciones y 
aplicaciones, con cargas inductivas, resistivas y ambas a 
la misma vez. De igual manera se mostrara la 
representación grafica del control de los voltajes con 
interacción de cargas resistivas o ambas. 
 
 ABSTRACT: In this report, the parameters related 
to AC voltage controllers, their different designations and 
applications, with inductive, resistive loads and both will 
be defined at the same time. In the same way, the 
graphic representation of the control of the voltages with 
interaction of resistive loads or both will be shown. 
 
PALABRAS CLAVE: Ángulo de fase, bidireccionales, 
controlador monofásico, controlador de voltaje CA, triac. 
 
1 OBJETIVOS 
 
1.1 OBJETIVO GENERAL 
 
Comprender la operación y las características de los 
controladores de voltaje ca. 
 
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 
- Aprender los tipos de controladores de voltaje AC. 
 
- Comprender los parámetros de rendimiento de los 
controladores de voltaje AC. 
 
- Estudiar los efectos de la inductancia de carga sobre la 
corriente en la carga. 
 
 
 
2 MARCO TEÓRICO 
 
2.1 PRINCIPIO DEL CONTROL DE ABRIR Y 
CERRAR 
 
 
El principio de control de abrir y cerrar se puede explicar 
en un controlador de onda completa monofásico, tal y 
como se muestra en la figura 6.1. El tiristor conecta la 
alimentación de ca a la carga durante un tiempo tn; un 
 
Pulso inhibidor de compuerta abre el interruptor durante 
un tiempo t0. El tiempo activo, tn, está formado, por lo 
común, de un número entero de ciclos. [1] 
 
 
 
Fig1. Control de abrir y cerrar. 
 
Para un voltaje sinusoidal de entrada V𝑠=𝑉𝑚𝑠𝑒𝑛𝜔𝑡 
Vs = √2 𝑉𝑠 𝑠𝑒𝑛𝜔𝑡 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA ELECTRONICA DE POTENCIA 
FECHA: 04/07/2017 
 
2 
 
 
 
2 
2.2 EL PRINCIPIO DE CONTROL POR ÁNGULO 
DE FASE 
 
El principio de control de fase se puede explicar 
haciendo referencia a la figura 2. El flujo de potencia 
hacia la carga queda controlado retrasando el ángulo de 
disparo del tiristor T1. Debido a la presencia del diodo 
D1, el rango de control está limitado y el voltaje rms 
efectivo de salida sólo puede variar entre 70.7 y 100%. 
El voltaje de salida y la corriente de entrada son 
asimétricos y contienen una componente de cd. 
 
Si hay un transformador de entrada puede ocurrir un 
problema de saturación. Este circuito es un controlador 
monofásico de media onda, adecuado sólo para cargas 
resistivas de poca potencia, como son la calefacción y la 
iluminación. 
 
Dado que el flujo de potencia está controlado durante el 
semiciclo del voltaje de entrada, este tipo de controlador 
también se conoce como controlador unidireccional. [2] 
 
Si 𝑣𝑠=𝑉𝑚𝑠𝑒𝑛𝜔𝑡=√2 𝑉𝑠 𝑠𝑒𝑛𝜔𝑡 y el ángulo de retardo 
del tiristor T1 es 𝜔𝑡=𝛼, el voltaje rms: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig2.Forma de onda de entrada y salida [4] 
 
 El convertidor de la figura 2 tiene las formas de onda 
del voltaje de salida de una sola polaridad, como se 
observa en la figura 2. 
 
 Por lo general este convertidor no se utiliza en 
aplicaciones industriales, porque su salida tiene un alto 
contenido de componentes ondulatorias, de baja 
frecuencia. 
 
2.2.3 CIRCUITOS BASICOS DE TIRISTORES 
 
Un tiristor es un dispositivo semiconductor que consta de 
cuatro capas similares a las de un diodo, es decir, con 
estructura pn. Tiene tres uniones, una pn, otra np, y otra pn. 
Así también tres terminales (ánodo, cátodo, compuerta). 
Los tiristores son uno de los tipos más importantes de 
dispositivos semiconductores de potencia. 
 
Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos 
electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores 
biestables, pasando de un estado no conductor a un estado 
conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que 
los Tiristores son interruptores o conmutadores ideales, 
aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características 
y limitaciones. 
 
En la figura 3. Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo 
con respecto al del cátodo, existe una corriente entre j1 y j3, 
es decir, tiene una polarización directa. J2 está en inversa y 
tiene una pequeña corriente del ánodo al cátodo. Se puede 
decir entonces que el tiristor está en bloqueo directo y se 
llama a la corriente de j2 “corriente de estado inactivo. 
 
Ahora, si el voltaje ánodo-cátodo (vak) se incrementa a un 
valor grande la unión j2, inversamente polarizada estará en 
ruptura. Esto se denomina ruptura por avalancha y el voltaje 
se llama voltaje de ruptura directo. 
 
 
Fig3. Circuito básico de un tiristor 
 
2.2.4 ESTADO DE BLOQUEO 
 
La conmutación en corte o bloqueo de un tiristor es el 
proceso de poner en estado de corte al tiristor que 
puede realizarse de tres formas: conmutación natural, 
polarización inversa o conmutación por puerta. 
Para reducir esa corriente es preciso abrir la línea, 
aumentando la impedancia de carga o derivando parte 
de la corriente de carga a un circuito paralelo, es decir, 
cortocircuitando el dispositivo. [2] 
 
 
 
 
 
 
 
http://unicrom.com/impedancia-resistencia-reactancia/
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA ELECTRONICA DE POTENCIA 
FECHA: 04/07/2017 
 
3 
 
 
 
3 
2.2.5 ESTADO DE CONDUCCION 
 
Cuando el voltaje del ánodo dado que las uniones J1 y 
J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento 
libre de portadores a través de las tres uniones que 
provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice 
entonces que el dispositivo está en estado de 
conducción o activado. [2] 
 
2.3 PRINCIPIO DE CONTROL DE FASE 
 
Cuando la forma de onda de la tensión alterna, cae 
sobre una carga en forma completa, esto es sin ningún 
tipo de recorte, sobre la carga aparece una corriente, 
con lo cual se genera potencia sobre la carga; si de 
alguna manera se recorta la forma de onda de la tensión 
alterna, esto es lo mismo que decir se controla la fase, 
como se ve en la imagen por ejemplo, sobre la carga ya 
no aparecerá la misma cantidad de corriente que 
aparecía cuando sobre la carga caía la tensión alterna 
completa, por lo que tampoco se generará sobre la 
carga la misma potencia. [1] 
 
Entonces mediante el control de fase se controlará la 
cantidad de potencia que genera una carga conectada a 
una fuente de corriente alterna; de aquí que muchas 
veces se utilicen en forma indiferente los términos 
control de fase o control de potencia, en este caso aquí 
se le llamará control fase potencia y como esta tarea lo 
realizará el tiristor SCR, se le llamará SCR control fase 
potencia. 
 
Fig4. Circuito de control de fase 
 
2.4 CONTROLADORES BIDIRECCIONALES 
MONOFASICOS CON CARGAS RESISTIVAS 
 
 El problema de la cd de entrada se puede evitar 
utilizando control bidireccional (o de onda completa), en 
la figura 5.3 aparece un controlador monofásico de onda 
completa con carga completa. 
 
Durante el semiciclo de voltaje de entrada, se controla el 
flujo de potencia variando el ángulo de retraso del 
tiristor T1; el tiristor T2 controla el flujo de potencia 
durante el semiciclo de voltaje de entrada. Los pulsos 
de disparo de T1 y T2 se conservan a 180º uno del otro. 
 
 
Fig5. Controlador monofásico de onda completa 
 
 
2.5 CONTROLADOR MONOFASICO CON 
CARGA INDUCTIVACon estos controladores dispondrá de los mejores 
equipos para regulación y control de temperatura, 
dándoles una fiabilidad y precisión excelentes. Gracias 
al tipo de regulación les podemos garantizar una mayor 
duración de sus resistencias eléctricas ya que el sistema 
de control realiza un proceso de estabilización de 
temperatura muy preciso, haciendo que estas trabajen 
a una menor potencia con un sistema proporcional. [3] 
 
También podrán tener un ahorro de energía al no tener 
picos de potencia en producción (menor potencia 
contratada). 
 
Los SRC fabrican una amplia gama de controladores de 
potencia de tiristores para adaptarse a 
cada necesidad. Si la carga es constante o variable de la 
resistencia, inductiva o de acoplamiento del 
transformador, monofásico o trifásico, tenemos 
el control de tiristores de potencia adecuado para 
satisfacer sus necesidades. 
 
Un rectificador convierte la corriente alterna en corriente 
continua por lo que la finalidad de estos es generar una 
salida continua pura o generar una onda ya sea 
de tensión o de corriente que tengan una determinada 
componente de continua. [3] 
 
El rectificador de media onda se suele utilizar 
en aplicaciones de baja potencia, en las que la corriente 
media de la red no será 0. Una corriente media distinta 
de 0 puede causar problemas en el funcionamiento de 
los transformadores y aunque tiene aplicaciones 
limitadas vale la pena estudiar su funcionamiento para 
luego entender con más facilidad los otros tipos 
de rectificadores que pueden llegar a tener más 
aplicaciones. [3] 
 
Una rectificación de media onda puede ser controlada o 
no controlada (control sobre la señal de salida). Si 
queremos que sea controlada emplearemos un tiristor, si 
https://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador
https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alterna
https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continua
https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continua
https://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_(electricidad)
https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica
https://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador
https://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador
https://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador
https://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA ELECTRONICA DE POTENCIA 
FECHA: 04/07/2017 
 
4 
 
 
 
4 
la rectificación no es controlada, usaremos 
un diodo como es nuestro caso. 
 
 
Fig6. Circuito controlador monofásico con carga 
RL. 
 
La respuesta forzada será la corriente que hay después 
de que que la respuesta natural se convierta en nula. En 
este caso será la corriente sinusoidal de régimen 
permanente que habría en el circuito si consideraríamos 
el diodo como cortocircuito, esto es: 
 
 
 
Si observamos la gráfica de la tensión en la carga (Fig.6) 
podremos ver que el diodo permanece polarizado en 
directa más tiempo que π radianes a pesar de que la 
señal del generador en π es cero y por lo tanto la 
corriente debería ser cero, ¿a qué se debe esto?, bueno 
esto sucede porque la bobina retrasa la corriente 
(observemos que la tensión en la bobina es negativa 
cuando la corriente decrece) evitando así que la 
corriente se haga cero y permitiendo que el tiempo en el 
que a la carga le llega tensión sea un poco mayor que π 
radianes. [4] 
 
Una vez que la bobina no puede retrasar más la 
corriente y esta se hace cero, se produce en un punto 
conocido como ángulo de extinción β por lo que 
sustituyendo ωt=β en la expresión de la corriente 
podemos hallar el ángulo donde se produce esta 
extinción de corriente: 
 
 
Normalmente es más conveniente expresar esta función 
en términos del ángulo ωt y no de tiempo, por lo que 
multiplicando y dividiendo por ω la fracción del el 
exponente de la exponencial obtenemos la expresión de 
la corriente en función del ángulo ωt. 
 
 
 
 
Fig7. Forma de señal de entrada y salida 
controlador monofásico con carga RL 
 
 
Digamos que este tipo de rectificaciones el caso real, 
frente al caso ideal que sería con una carga resistiva 
pura. Esto es así ya que las cargas industriales suelen 
contener una cierta inductancia, además de 
la resistencia propiamente dicha. [2] 
 
 
A continuación procedemos a la explicación teórica de 
este tipo de rectificación. La ecuación de la ley de 
Kirchhoff para tensiones que describe la corriente en 
el circuito para el diodo ideal, polarizado en directa sería: 
 
 
2.6 CONTROLADORES TRIFÁSICOS DE ONDA 
COMPLETA 
 
Los controladores unidireccionales, que contienen 
corriente de entrada de cd 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 ca; por lo general se 
utiliza un control bidireccional trifásico. [3] 
 
 
 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 dada 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
https://es.wikipedia.org/wiki/Diodo
https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito
https://es.wikipedia.org/wiki/Diodo
https://es.wikipedia.org/wiki/Cortocircuito
https://es.wikipedia.org/wiki/Diodo
https://es.wikipedia.org/wiki/Generador_el%C3%A9ctrico
https://es.wikipedia.org/wiki/Inductor
https://es.wikipedia.org/wiki/Inductor
https://es.wikipedia.org/wiki/Inductor
https://es.wikipedia.org/wiki/Inductancia
https://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador
https://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Kirchhoff
https://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Kirchhoff
https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito
https://es.wikipedia.org/wiki/Diodo
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA ELECTRONICA DE POTENCIA 
FECHA: 04/07/2017 
 
5 
 
 
 
5 
 
 
Los voltajes instantáneos de línea de entrada son: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para , dos tiristores conducen 
inmediatamente antes dl 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. Las formas de onda resultantes pueden 
observarse. [5] 
 
 
Para , sólo conducen dos tiristores en todo 
momento. Para , aunque conducen dos 
tiristores en todo momento, existen períodos en los que 
ningún tiristor está activo. Para , no hay 
ningún período para dos tiristores en conducción 
haciéndose el voltaje de salida cero en . El 
rango del ángulo de retraso es [5] 
 
 
 
 
Fig8. Formas de onda para el control bidireccional 
 
Las formas de onda de los voltajes de entrada, los 
ángulos de conducción de los tiristores y los voltajes de 
fase de salida se ven en la figura, para 60° y 120°. 
 
Fig9. Controlador trifásico bidireccional 
 
 
 Fig10. Formas de onda para 60° y 120° 
 
 
Primero se conducen dos tiristores inmediatamente 
antes del disparo de T1, Una vez disparado T1, 
conducen tres tiristores. Un tiristor se desactiva cuando 
su corriente trata de invertirse. Las condiciones alternan 
dos y tres tiristores que conducen. 
 
Para 60°< & < 90°, solo hay dos tiristores que conducen 
en cualquier momento. Para 90°< & < 150°, aunque dos 
tiristores conducen en cualquier momento, hay 
intervalos en los que no hay tiristores activados. 
Cuando & > 150°, no hay algún periodo durante el cual 
dos tiristores conduzcan y el voltaje de salida se vuelve 
cero en & = 150°. El intervalo de retardo entonces es 
0<&<150. [6] 
 
 
En forma parecida a la de los controladores de media 
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA ELECTRONICA DE POTENCIA 
FECHA: 04/07/2017 
 
6 
 
 
 
6 
onda la ecuación del voltaje rms de fase de salida 
depende del intervalo de losángulos de retardo. 
 
 
 
3 CONCLUSIONES 
 
Al trabajar con controladores bidireccionales se tendrá la 
capacidad de modificar el semiciclo positivo y el 
semiciclo negativo. Al variar la frecuencia de entrada se 
modificará la frecuencia de salida y ya que esta es 
directamente proporcional al par inducido se podrá 
cambiar la velocidad gracias a los tiristores. (García 
Sebastián). 
 
Al implementar un circuito con carga RL en un 
controlador monofásico con carga inductiva se observa 
que la impedancia que genera el circuito no es estable. 
Se tendrá mayor duración de sus resistencias eléctricas 
ya que el sistema de control realiza un proceso de 
estabilización (Ordoñez Freddy). 
 
En el principio de control por ángulo de fase debido a la 
presencia del diodo, el rango de control está limitado y el 
voltaje rms efectivo de salida solo 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 (Quiña Alexis). 
 
El rectificador de media onda bidireccional con carga 
resistiva convierte la corriente alterna en corriente 
continua, por lo que la finalidad de estos es generar una 
salida continua pura o generar una onda ya sea de 
tensión o de corriente que tenga una determinada 
componente de continua (Sánchez Bryan). 
 
4 REFERENCIA 
 
[1] 
Guerrero, P. R. (2011). Electrotecnia (UF0149). Málaga, 
ES: IC Editorial. Retrieved from http://www.ebrary.com 
 
[2] 
Mijarez, C. R. (2014). Electrónica. México, D.F., MX: 
Grupo Editorial Patria. Retrieved from 
http://www.ebrary.com 
 
[3] 
http://bibliotecavirtual.ups.edu.ec:2464/#!/search?ho=t&l
=esES&q=controladores%20monofasicos%20con%20ca
rga%20inductiva 
 
[4] 
http://bibliotecavirtual.ups.edu.ec:2051/lib/bibliotecaupss
p/reader.action?docID=10693569 
 
[5] 
Villablanca, M., Cádiz, C., & Tapia, J. (2010). 
Rectificadores Ca/Cc Tiristorizados Con Formas De 
Onda De Alta Calidad/Thyristor-Based Ac/Dc Rectifiers 
With High-Quality Waveforms. Ingeniare : Revista 
Chilena De Ingenieria, 18(1), 132-143. Retrieved from 
https://search.proquest.com/docview/671019260?accoun
tid=32861 
 
 [6] 
Mohan, Ned, Undeland, Thor M., and Robbins, William 
P.. Electrónica de potencia : convertidores, aplicaciones 
y diseño (3a. ed.). Sunny Isles Beach, US: McGraw-Hill 
España, 2009. ProQuest ebrary. Web. 5 July 2017.