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Electronica de Potencia Rashid 3Ed cap 11

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Electronica de Potencia Rashid 3Ed

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  • e A P TUL o 1 1Controladores de voltaje de ea

    Los objetivos de aprendizaje para este captulo son los siguientes:

    Comprender la operacin y las caractersticas de los controladores de voltaje de ea Comprender la operacin de los convertidores matriciales Aprender los tipos de controladores de voltaje de ea Comprender los parmetros de rendimiento de los controladores de voltaje de ea Aprender las tcnicas para el anlisis y el diseo de controladores de voltaje de ea Aprender las tcnicas para simular rectificadores controlados usando SPICE Estudiar los efectos de la inductancia de carga sobre la corriente en la carga.

    11.1 INTRODUCCiN

    Si se conecta un interruptor de tiristor entre la fuente de ea y la carga, se puede controlar el flu-jo de potencia haciendo variar el valor rms del voltaje de ea aplicado a la carga, y a este tipo decircuito de potencia se le llama controlador de voltaje de ea. Las aplicaciones ms comunes de loscontroladores de voltaje de ea son: calefaccin industrial, cambio de conexin de transforma-dor con carga, controles de alumbrado, control de velocidad de motores polifsicos de inducciny controles de electroimanes de ea. Para la transferencia de potencia se usan, en el caso normal,dos tipos de control:

    1. Control de encendido apagado2. Control por ngulo de fase

    En el control de encendido apagado, los interruptores de tiristor conectan la carga a la fuente deca durante algunos ciclos de voltaje de entrada y lo desconectan durante algunos otros ciclos. Enel control por ngulo de fase, los interruptores conectan la carga con la fuente de ea durante unaparte de cada ciclo de voltaje de entrada.

    Los controladores de voltaje de ea se pueden clasificar en dos tipos: 1) controladores mo-nofsicos y 2) controladores trifsicos, y cada tipo se subdivide en a) control unidireccional, o demedia onda, y b) control bidireccional, o de onda completa. Hay varias configuraciones de con-troladores trifsicos, que dependen de las conexiones de los interruptores de tiristor.

    500

  • 11.2 Principio del control de encendido apagado 501

    Como el voltaje de entrada es de ea, los tiristores son conmutados por la lnea, y los tiristo-res de control por ngulo de fase, que son relativamente poco costosos y ms lentos que los tiris-tores de conmutacin rpida, son los que se usan en el caso normal. Para aplicaciones hasta 400Hz, si se dispone de dispositivos TRIAC que cumplan con las especificaciones de voltaje y co-rriente para determinada aplicacin, sonlos que se suelen usar.

    Debido a la conmutacin es por la lnea o natural, no hay necesidad de circuitos adiciona-les de conmutacin, y los circuitos de los controladores de voltaje de ea son muy sencillos. Por lanaturaleza de las formas de onda de salida, no es sencillo el anlisis para las deducciones deecuaciones explcitas de los parmetros de rendimiento de los circuitos, en especial para los con-vertidores controlados por ngulo de fase con cargas RL. Para simplificar, se consideran en estecaptulo cargas resistivas, para comparar los rendimientos de varias configuraciones. Sin embar-go, las cargas prcticas son de tipo RL y se deben tener en cuenta en el diseo y el anlisis de loscontroladores de voltaje de ea.

    11.2 PRINCIPIO DEL CONTROL DE ENCENDIDO APAGADO

    El principio del control de encendido apagado se puede explicar con un controlador monofsicode onda completo, como el que se ve en la figura ll.la. El interruptor de tiristor conecta la fuen-te de ea con la carga durante un tiempo tn; el interruptor se abre mediante un pulso de com-puerta que lo inhibe durante el tiempo to. El tiempo activado tn suele consistir en una cantidad

    T~?is

    + ~T2 +

    Ysb) el FP en la entra-da, e) la corriente promedio de los tiristores, lA, y d) la corriente rms de los tiristores, IR'

    SolucinR = 10 n, Vs = 120V,a = 1T/2Y Vm = v2 X 120 = 169.7 Y.

    a. De acuerdo con la ecuacin (11.8), el voltaje rms de salida es

    Vo = ~ = 84.85 V

    b. El valor rms de la corriente en la carga es lo = VIR = 84.85110 = 8.485 A, Y el factor de potenciade la carga es Po = I~R = 8.4852 X 10 = 719.95 W. Como la corriente de entrada es igual que lacorriente en la carga, la especificacin nominal de VA en la entrada es

    VA = V,Is = V,Io = 120 X 8.485 = 1018.2 W

    El FP de entrada es

    FP = ~ = Vo = [1. (1T _ a + sen 2a) ]112VA Vs 1T 2 (11.9)1 719.95

    = V2 = 1018.2 = 0.707 (en retraso)

    c. La corriente promedio del tiristor es

    1 ("lA = 21TRJ", v2Vssenwtd(wt)

    V2Vs= --(cosa + 1)

    21TR(11.10)

    = V2 X 120 = 2.7 A21T X 10

  • 11.5 Controladores monofsicos con cargas inductivas 509

    d. El valor rms de la corriente del tiristor es

    [1 1" ]1121R = --2 2V; serr' wt d( wt)

    2TIR a

    [2V2 1'lT ]112

    = ~ (1 - cos 2wt) d(wt)4TIR a

    = l [1.(TI _ o. + sen 20.) ]112Y2R TI 2

    =~=6A2 X 10

    (11.11)

    Puntos clave de la seccin 11.4

    El voltaje rms de salida se puede variar desde Vs hasta 0, variando el ngulo de retardo 0.,de a TI.

    La salida de este controlador no contiene componente de cd.

    11.5 CONTROLADORES MONOFSICOS CON CARGAS INDUCTIVAS

    La seccin 11A describi los controladores monofsicos con cargas inductivas. En la prctica, lamayor parte de las cargas son inductivas hasta cierto grado. En la figura 11.6a se ve un controla-dor de onda completa con una carga RL. Supongamos que el tiristor TI dispara durante el mediociclo positivo y conduce la corriente de la carga. Debido a la inductancia en el circuito, la corrien-te del tiristor TI no baja a cero cuando wt = 71", que es cuando el voltaje de entrada comienza aser negativo. El tiristor TI contina conduciendo hasta que su corriente il baja a cero cuandowt = 13. El ngulo de conduccin del tiristor TI es l) = 13 - 0., Ydepende del ngulo de retardo o.y del ngulo (}del FP de la carga. En la figura 11.6b se muestran las formas de onda de la corrien-te del tiristor, pulsos de disparo y voltaje de entrada.

    Si v,= v'2 Vs sen wt es el voltaje instantneo de entrada y el ngulo de retardo del tiristorTI es 0., se puede determinar la corriente il en el tiristor con

    di,L - + Ri1 = v'2 V s sen wtdt

    (11.12)

    La solucin de la ecuacin (11.12) tiene la forma

    il = ~ V s sen( wt - e) + Al e-(R/L)t (11.13)

    donde la impedancia de carga es Z = [R2 + (wL)2]1I2 y el ngulo de carga es (}= tan"! (wUR).La constante Al se puede determinar con la condicin inicial: cuando wt = 0., il = y con

    la ecuacin (11.3) como sigue:

    Al = - v'2 V s sen( ex - e )e(RlL)(a/w) (11.14)Z

    La sustitucin de Al de la ecuacin (11.14) en la ecuacin (11.13) da como resultado

    il = v'2 Vs [sen(wt - e) - sen(ex - e)e(R/L)(a/w-r)] (11.15)Z

  • 510 Captulo 11 Controladores de voltaje de ea

    VsVrn

    O

    g

    T i O

    + is + iog2

    OT2

    i2 RVs Vo i

    LO

    a

    7TI

    III

    f--j-----''r----r----+---~wtIII

    Pulso de disparo de TI----+-L---r---t-------L.."-~ wt

    Pulso de disparo de T2I

    1----j----f---t....L..---+--t--~ wt

    (a) Circuito

    g

    Oa

    (e) g2 IIO II

    I

    g II

    Oa

    (d) g2

    O

    '---"" "--lI-I. -+_...L~~wt7T f3 a +7T 27T 27T +a

    (b) Formas de onda

    7! '(T+a2'!f

    27T+aI I II I

    I

    17T+aI

    I . I II I I II I I II I II I I

    :7T+a 27TI II I

    I

    7T 7T+a

    FIGURA 11.6

    Controlador monofsico de onda completa con carga RL.

    El ngulo [3,cuando la corriente i baja a cero y el tiristor T se desactiva, se puede determinarcon la condicin i (wt = [3) = Oen la ecuacin (11.15), y de define con la relacin

    sen (13 - O) = sen (a - 8)e(RlL)(a-f3)/w (11.16)El ngulo [3,que tambin se llama ngulo de extincin, se puede determinar con esta ecuacintrascendental y requiere resolverla con un mtodo iterativo. Una vez conocido [3,se puede de-terminar el ngulo de conduccin S del tiristor T con

    S=I3-a (11.17)El voltaje rms de salida es

  • 11.5 Controladores monofsicos con cargas inductivas 511

    [:2~(1 - cos 2wt) d(wt) r2= v. [~ (13 - a + se~ 20' _ sen

    2213) T12 (11.18)

    La corriente rms del tiristor se puede determinar como sigue, con la ecuacin (11.15):

    [1 r~ ]112

    IR = 2TI la iid( wt)V [1 r~ ]1/2= ;. TI la {sen(wt - e) - sen(a - e)e(RIL)(alw-t)f d(wt) (11.19)

    ya continuacin se determina la corriente rms de salida, combinando la corriente rms de cadatiristor:

    (11.20)

    Tambin se puede calcular el valor promedio de la corriente en el tiristor con la ecuacin(11.15):

    v'2v ~= __ s [sen(wt - e) - sen(a - e)e(RIL)(alw-t)] d(wt)2TIZ a

    (11.21)

    Las seales de disparo de los tiristores pueden ser pulsos cortos para un controlador con cargasresistivas. Sin embargo, esos pulsos cortos no son adecuados para cargas inductivas. Esto se pue-de explicar viendo la figura 11.6b. Cuando el tiristor T2 dispara en wt = TI + a, el tiristor T toda-va est conduciendo debido a la inductancia de la carga. Para cuando la corriente del tiristor Tllega a cero y TI se desactiva cuando wt = 13 = a + S, el pulso de disparo del tiristor T2 ya ces yen consecuencia T2 no puede activarse. El resultado es que slo funciona el tiristor TI y causaformas asimtricas de onda del voltaje y la corriente de salida. Esta dificultad se puede resolverusando seales continuas de disparo, con una duracin de (TI - a), como se ve en la figura 11.6c).Tan pronto como la corriente de TI baja a cero, el tiristor T2 (con los pulsos de compuerta que seven en la figura 11.6c) se activara. Sin embargo, un pulso continuo de compuerta aumenta laprdida de los tiristores por conmutacin, y requiere un transformador de aislamiento ms gran-de para el circuito de disparo. En la prctica se suele usar un tren de pulsos de corta duracin co-mo el de la figura 11.6d, para superar estos problemas.

    Las