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ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
CONVERTIDORES
ARQUITECTURA DE CONVERTIDORESARQUITECTURA DE CONVERTIDORES
Carga1 a V1
Carga2 a V2
Carga3 a V3
Fuente 1
Fuente 2
+
+
-
Bus DC
Convertidor1
(AC/AC)
Convertidor3
(DC/DC
bidirec.)
Convertidor2
(AC/DC)Convertidor4
(DC/DC)
Convertidor 5
(DC/AC)
Bus AC
Índice
1. Introducción
2.Rectificadores no controlados monofásicos
3.Rectificador controlado de silicio SCR
4.Rectificadores controlados monofásicos
5.Rectificadores no controlados trifásicos
6.Rectificadores controlados trifásicos
Convertidores CA/CC
Introducción
Convertidores CA/CC
La energía se distribuye en forma de tensión alterna
Sin embargo, los equipos electrónicos necesitan una tensión continua para funcionar
Conversión en mayoría de los casos es de CA/CC. Si la tensión obtenida no es adecuada para la aplicación, se pueden conectar en cascada otros convertidores
CA/CC CC/CC
CA/CC CC/CA
Los convertidores CA/CC se clasifican de la siguiente forma:
No Controlados Controlados• Monofásicos
• Trifásicos
• Monofásicos
• Trifásicos
Rectificador controlado, un circuito de control puede modificar los parámetros de funcionamiento del convertidor y regular en cierta medida la tensión de salida
Rectificador no controlado, no hay posibilidad de control y la tensión de salida depende exclusivamente de la carga
En la actualidad, el esquema más usado es el convertidor CA/CC no controlado. A continuación se conecta otro convertidor en cascada que se encarga de controlar la tensión de salida
Especificaciones típicas de la tensión alterna
Europa 220 V, 60/50 Hz230 V, 50 Hz
240 V, 50 Hz
EE.UU 110 V, 60 Hz
Japón 100 V, 60 Hz
100 V, 50 Hz
Red de baja tensión
380 V,60/ 50 HzTrifásica
Red de media tensión 3, 6, 10, 15, 20 kv, 50 Hz
Rectificadores no controlados monofásicos
Rectificador en puente completo o doble onda
VC
Vin: 230 V, 60/50 Hz
V3252230
Formas de onda
•La tensión de salida es continua
•El rizado depende de la carga
•El valor medio no es controlable
•Corriente de entrada muy picuda
•Mal factor de potencia ( 0.5)
Muy sencillo
Muy robusto
Barato
Rectificador en puente completo
VC
Vin: 230 V, 50 Hz
Principio de funcionamiento
Semiciclo positivo Semiciclo negativo
VC = Vin VC = Vin
VinVin
VC VC
El condensador se carga al valor de pico de la tensión de entrada
VCVin: 230 V, 50 Hz
Formas de onda
El condensador se carga durante el tiempo que circula de corriente. El resto del tiempo esta descargando la energía sobre la carga
VC
(Rizado)
0.5 – 1 ms
10 ms
iin
Doblador de tensiónEn la actualidad muchos equipos portátiles funcionar con la tensión nominal de cualquier país. “rango de tensión universal”: 90-265 V
Al haber tanta diferencia de tensión entre la mínima y la máxima, los equipos pueden tener problemas para funcionar. Un posible circuito para solucionarlo es el doblador de tensión
230 V
110 V
Con 230 V el interruptor está abierto
El funcionamiento es igual que el de un rectificador de doble onda normal
El condensador equivalente que verá la red será C/2
C
C
Doblador de tensión
Cuando la tensión de entrada es de 110 V, se cierra el interruptor
110 V C
C
110 V D3
D4
D3 y D4 se cortan porque están en paralelo con los condensadores
Semiciclo positivo
Semiciclo negativoVC1 = Vin
VC2 = Vin
V0 V0
En total, la tensión en la carga es la suma de la tensión en los dos condensadores: V0 = 2·Vin (2·110 V = 220 V)
Rectificador controlado de silicio
p2
n2
n1
p1G
K
A
J3
J2
J1Ip2
n2
p1
n1C
A
K
Estructura Interna y circuito equivalente Característica
SímboloEl SCR es el tiristor por excelencia
(Cátodo)(Puerta)
C
G
A(Ánodo)
E
B
C
C
B
E
IA
VACVB
IG
VACVB
IG
C
G
AIA
IA
VAC
Estado de bloqueo:
•Soporta tensión inversay tensión directa
• Si se introduce un pulso de corriente por puerta
o la tensión alcanza el valor de ruptura directa VB
Estado de conducción:
•Conduce corriente directa
y se mantiene en conducción siempre que la corriente esté por encima de imim
im = Corriente de mantenimiento
G
A
C
Modelo ideal de un SCR
A
CG
El disparo por tensión directa (VB) se considera indeseable y, como norma general, debe seleccionarse el SCR para que esto no ocurra
Podemos decir que es un interruptor unidireccional que se cierra con un pulso de corriente de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero
P
PN
N
A
C
G
Ejemplo: Control de fase
RV1
V1
VR
VR
Disparo
Disparo
Cuando el tiristor recibe un pulso de corriente en la puerta comienza a conducir, siempre y cuando tenga polarización directa entre ánodo y cátodo
Controlando el ángulo de disparo controlamos la energía que pasa
Rectificador monofásico controlado de doble onda
T1 y T4 T3 y T2230 V,50 Hz
El tipo de carga es muy importante para determinar las formas de onda. Consideramos una carga fuertemente inductiva para que el tiristor no se apague con tensiones negativas
US
US
θ
Punto en el que comenzaría la conducción de D1
Punto en el que comienza la conducción de T1
USmed
Rectificador monofásico controlado de doble onda
T1 T2
T4 T3
Rectificador monofásico controlado de doble onda
US
θ
USmed
Cada tiristor conduce 180º
El ángulo de disparo define la tensión que se obtiene a la salida
Si el ángulo de disparo supera los 90º habrá un balance de potencia negativa Funcionamiento como inversor autónomo
USmed
US
θ
USmed
θ
Rectificadores no controlados trifásicos
Rectificador no controlado de media onda
En entornos industriales se suele usar la red trifásica
• Las formas de onda tienen menos rizado de forma natural
• Tiene mayor capacidad de manejar potencia
Los circuitos son básicamente iguales a los monofásicos
UR
US
UT
D1
D2
D3
UR
US
UT
Rectificador no controlado de media onda
R S TUR
US
UT
D1
D2
D3
En la rama superior, en cada instante conduce el diodo que tiene más tensión en el ánodo
En la rama inferior, en cada instante conduce el diodo que tiene más tensión en el cátodo (en este caso, tensión negativa)
0º60º 120º 180º 240º 300º 360º
30º 90º 150º 210º 270º 330º
Us
D1 D2 D3D1 D2 D3
Rectificador no controlado de media onda
R S T
0º60º 120º 180º 240º 300º 360º
30º 90º 150º 210º 270º 330º
Cada diodo conduce 120º
Cada 120º hay un cambio en los diodos que conducen
Hay 3 intervalos en 360º
UD1
Rectificador no controlado de onda completa
La tensión Us también será la envolvente de esta forma de onda Menor rizado que el de media onda
R S T
RS ST TRSR TSRT
R
S
TUs
RL
D1
D4
D2
D5
D3
D6
D1 D2 D3
Rectificador no controlado de onda completa
R S T
En la rama superior, en cada instante conduce el diodo que tiene más tensión en el ánodo
En la rama inferior, conduce el diodo que tiene más tensión negativa en el cátodo
Cada diodo conduce 120º
Cada 60º hay un cambio en los diodos que conducen
Hay 6 intervalos en 360º
Se le suele llamar “rectificador de 6 pulsos”
D4 D5 D6
RST
U
s
R
L
D1
D4
D2
D5
D3
D6
Rectificador no controlado de onda completa
R S T
RS RT
D1 D5 D6D1
R
S
TUS
RL
D1
D4
D2
D5
D3
D6
D1 D5
R
S
T
RL
D1
D4
D2
D5
D3
D6
US
Rectificadores controlados trifásicos
Rectificador controlado de media onda
R S T
UR
US
UT
T1
T2
T3
0º60º 120º 180º 240º 300º 360º
30º 90º 150º 210º 270º 330º
Us
α=30º
En cada instante conduciría el diodo que tiene más tensión en el ánodo
Pero la conducción del tiristor depende del ángulo de disparo
Rectificadores controlados trifásicos
Rectificador controlado de media onda
R S T
UR
US
UT
T1
T2
T3
0º60º 120º 180º 240º 300º 360º
30º 90º 150º 210º 270º 330º
Us
α=60º
En cada instante conduciría el diodo que tiene más tensión en el ánodo
Pero la conducción del tiristor depende del ángulo de disparo
Rectificador controlado de media onda
R S T
UR
US
UT
T1
T2
T3
0º60º 120º 180º 240º 300º 360º
30º 90º 150º 210º 270º 330º
Us
α=90º
En cada instante conduciría el diodo que tiene más tensión en el ánodo
Pero la conducción del tiristor depende del ángulo de disparo
USmed=0
Rectificador controlado de media onda
R S T
UR
US
UT
T1
T2
T3
0º60º 120º 180º 240º 300º 360º
30º 90º 150º 210º 270º 330º
Us
α=120º
En cada instante conduciría el diodo que tiene más tensión en el ánodo
Pero la conducción del tiristor depende del ángulo de disparo
USmed<0
Inversor no autónomo
Rectificador controlado de onda completa
R S T
T3 T5 T1T5 T1T6
Punto en el que comenzaría la conducción de D1
Punto en el que comienza la conducción de T1
US
RS RT TRSR TSSTTS
T2T6 T2T4 T3T4
R
S
T
T1
T5 T6T4
T2 T3
US
Rectificador controlado de onda completa R
ST
T1
T5 T6T4
T2 T3
US
R S T
US
= 30º
RS RT TRSR TSSTTS
0º 60º
120º 180º 240º 300º 360º
30º
90º€ 150º 210º 270º 330º
Rectificadores controlados trifásicos
Rectificador controlado de onda completa
RST
T1
T5 T6T4
T2 T3
US
R S T
US
= 60º
RS RT TRSR TSSTTS
0º 60º
120º 180º 240º 300º 360º
30º
90º€ 150º 210º 270º 330º
Rectificador controlado de onda completa
RST
T1
T5 T6T4
T2 T3
US
US
= 90º
RS RT TRSR TSSTTS
0º 60º 120º 180º 240º 300º 360º30º 90º€ 150º 210º 270º 330º
R S T
USmed=0
Rectificador controlado de onda completa
RST
T1
T5 T6T4
T2 T3
US
US
= 120º
RS RT TRSR TSSTTS
0º 60º 120º 180º 240º 300º 360º30º 90º€ 150º 210º 270º 330º
R S T
USmed<0
Inversor no autónomo
CONVERTIDORES C.A.-C.A. (CICLOCONVERTIDORES)CONVERTIDORES C.A.-C.A. (CICLOCONVERTIDORES)
DEFINICIÓN:DEFINICIÓN:
ES UN CONVERTIDOR QUE CONTROLA LA TENSIÓN, LA ES UN CONVERTIDOR QUE CONTROLA LA TENSIÓN, LA CORRIENTE Y LA POTENCIA MEDIA QUE ENTREGA UNA FUENTE CORRIENTE Y LA POTENCIA MEDIA QUE ENTREGA UNA FUENTE DE ALTERNA A UNA CARGA DE ALTERNADE ALTERNA A UNA CARGA DE ALTERNA
FUNCIONAMIENTO:FUNCIONAMIENTO:
INTERRUPTORES ELECTRÓNICOS CONECTAN Y INTERRUPTORES ELECTRÓNICOS CONECTAN Y DESCONECTAN LA FUENTE A INTERVALOS REGULARESDESCONECTAN LA FUENTE A INTERVALOS REGULARES
ESTA CONMUTACIÓN SE PRODUCE MEDIANTE UN ESQUEMA ESTA CONMUTACIÓN SE PRODUCE MEDIANTE UN ESQUEMA DENOMINADO CONTROL DE FASE QUE TIENE COMO EFECTO DENOMINADO CONTROL DE FASE QUE TIENE COMO EFECTO ELIMINAR PARTE DE LA FORMA DE ONDA DE LA FUENTE ELIMINAR PARTE DE LA FORMA DE ONDA DE LA FUENTE ANTES DE ALCANZAR LA CARGAANTES DE ALCANZAR LA CARGA
CONVERTIDORES C.A.-C.A. (CICLOCONVERTIDORES)CONVERTIDORES C.A.-C.A. (CICLOCONVERTIDORES)
ESQUEMA TRIFÁSICO DEL CICLOCONVERTIDOR A CONFIGURAR EN ESQUEMA TRIFÁSICO DEL CICLOCONVERTIDOR A CONFIGURAR EN NUESTRO EQUIPO NUESTRO EQUIPO
TENSIONES EN LA CARGATENSIONES EN LA CARGAINCONVENIENTES DE ESTOS CONVERTIDORESINCONVENIENTES DE ESTOS CONVERTIDORES
AL IGUAL QUE LOS RECTIFICADORES PRESENTAN PROBLEMAS AL IGUAL QUE LOS RECTIFICADORES PRESENTAN PROBLEMAS CON LAS CORRIENTES ARMÓNICAS QUE SE PRODUCE POR LA CON LAS CORRIENTES ARMÓNICAS QUE SE PRODUCE POR LA DISTORSIÓN DE LA ONDA SENOIDAL EN LA CARGADISTORSIÓN DE LA ONDA SENOIDAL EN LA CARGA
SOLUCIÓN: UTILIZACIÓN DE FILTROS RESONANTESSOLUCIÓN: UTILIZACIÓN DE FILTROS RESONANTES
TIRISTORESTIRISTORES
COMPONENTE ELECTRÓNICO BÁSICO DE ESTOS CONVERTIDORES DE COMPONENTE ELECTRÓNICO BÁSICO DE ESTOS CONVERTIDORES DE CORRIENTECORRIENTE
INTERRUPTOR CASI IDEAL QUE NOS PERMITE MODIFICAR LA FORMA DE LA INTERRUPTOR CASI IDEAL QUE NOS PERMITE MODIFICAR LA FORMA DE LA ONDA DE TENSIÓN Y CORRIENTE EN LA CARGA EN FUNCIÓN DE SUS ONDA DE TENSIÓN Y CORRIENTE EN LA CARGA EN FUNCIÓN DE SUS CONEXIONES Y DESCONEXIONESCONEXIONES Y DESCONEXIONES
PARA QUE EL TIRISTOR PARA QUE EL TIRISTOR PERMITA EL PASO DE PERMITA EL PASO DE CORRIENTE A TRAVÉS DE ÉL CORRIENTE A TRAVÉS DE ÉL HEMOS DE APLICAR UNA HEMOS DE APLICAR UNA PEQUEÑA TENSIÓN EN EL PEQUEÑA TENSIÓN EN EL TERMINAL DE PUERTATERMINAL DE PUERTA
EL BLOQUEO DE LA CICULACIÓN DE EL BLOQUEO DE LA CICULACIÓN DE CORRIENTE A TRAVÉS DEL TIRISTOR SE CORRIENTE A TRAVÉS DEL TIRISTOR SE PRODUCE DE FORMA AUTOMÁTICA AL PASO PRODUCE DE FORMA AUTOMÁTICA AL PASO POR CERO DE LA TENSIÓNPOR CERO DE LA TENSIÓN
TIRISTORESTIRISTORES
VENTAJAS:VENTAJAS:
-INTERRUPTOR CASI IDEAL-INTERRUPTOR CASI IDEAL-FÁCIL CONTROLABILIDAD-FÁCIL CONTROLABILIDAD-SOPORTA TENSIONES ALTAS-SOPORTA TENSIONES ALTAS-ES CAPAZ DE CONTROLAR GRANDES POTENCIAS -ES CAPAZ DE CONTROLAR GRANDES POTENCIAS -RELATIVA RAPIDEZ-RELATIVA RAPIDEZ
LIMITACIONES:LIMITACIONES:
RESPONDEN MAL ANTE VARIACIONES RESPONDEN MAL ANTE VARIACIONES BRUSCAS DE TENSIÓN E INTENSIDAD (dV/dt),BRUSCAS DE TENSIÓN E INTENSIDAD (dV/dt),(dI/dt)(dI/dt)
SOLUCIÓN:SOLUCIÓN:
COLOCAR UNA RED R-C COLOCAR UNA RED R-C EN PARALELO CON EL EN PARALELO CON EL
TIRISTOR QUE ABSORBA TIRISTOR QUE ABSORBA ESTE CRECIMIENTOESTE CRECIMIENTO
PROBLEMAS DE PROBLEMAS DE SOBRECALENTAMIENTO SOBRECALENTAMIENTO AL MANEJAR POTENCIAS AL MANEJAR POTENCIAS ELEVADASELEVADAS
SOLUCIÓN:SOLUCIÓN: DISIPADOR DISIPADOR TÉRMICOTÉRMICO
CCIRCUITO DE DISPAROIRCUITO DE DISPARO
COMPONENTE MÁS IMPORTANTE DEL EQUIPOCOMPONENTE MÁS IMPORTANTE DEL EQUIPO
CONTROLA LA SUCESIÓN DE APERTURA Y CIERRE DE LOS 6 CONTROLA LA SUCESIÓN DE APERTURA Y CIERRE DE LOS 6 TIRISTORESTIRISTORES
PERMITE UN CONTROL LÓGICO O ANALÓGICO DEL DISPARO PERMITE UN CONTROL LÓGICO O ANALÓGICO DEL DISPARO DE LOS TIRISTORES EN FUNCIÓN DE LAS NECESIDADES O DE LOS TIRISTORES EN FUNCIÓN DE LAS NECESIDADES O MEDIOS DISPONIBLESMEDIOS DISPONIBLES
MONTAJE DEL EQUIPOMONTAJE DEL EQUIPOZONA DE CONTROL LÓGICO / ANALÓGICOZONA DE CONTROL LÓGICO / ANALÓGICOALIMENTACIÓN CIRCUITO DE DISPAROALIMENTACIÓN CIRCUITO DE DISPARO
ALIMENTACIÓN PRINCIPAL ALIMENTACIÓN PRINCIPAL TRIFÁSICATRIFÁSICA
ALIMENTACIÓN A LAS ALIMENTACIÓN A LAS CARGASCARGAS
ZONA DE CONFIGURACIÓN DE ZONA DE CONFIGURACIÓN DE LOS CONVERTIDORES Y LOS CONVERTIDORES Y MEDIDAS ELÉCTRICASMEDIDAS ELÉCTRICAS
PROTECCIONESPROTECCIONES
GENERALES:GENERALES:
TRIRISTORES:TRIRISTORES:
INSTALACIÓN POR FASE DE FUSIBLES ULTRARÁPIDOS INSTALACIÓN POR FASE DE FUSIBLES ULTRARÁPIDOS (RECOMENDADOS PARA LA PROTECCION DE (RECOMENDADOS PARA LA PROTECCION DE SEMICONDUCTORES) DE SEMICONDUCTORES) DE In=10AIn=10A Y PODER DE CORTE DE Y PODER DE CORTE DE 20kA20kA A A 500 V C.A.500 V C.A.
COLOCACIÓN DE REDES R-C POR CADA TIRISTOR COLOCACIÓN DE REDES R-C POR CADA TIRISTOR PARA PROTECCIÓN CONTRA INCREMENTOS PARA PROTECCIÓN CONTRA INCREMENTOS BRUSCOS DE TENSIÓN O INTENSIDAD DE LOS BRUSCOS DE TENSIÓN O INTENSIDAD DE LOS SIGUIENTES VALORESSIGUIENTES VALORES
R C
68 22F
INSTALACIÓN DE UN DISIPADOR TÉRMICO DE INSTALACIÓN DE UN DISIPADOR TÉRMICO DE 0,48ºC/W0,48ºC/W PARA PROTEGER LOS MÓDULOS DE PARA PROTEGER LOS MÓDULOS DE TIRISTOR DE SOBRECALENTAMIENTOS EXCESIVOSTIRISTOR DE SOBRECALENTAMIENTOS EXCESIVOS