electrónica industrial

Universidad Técnica Federico Santa María
Departamento de Electrónica
Valparaíso-Chile
ELECTRÓNICA
INDUSTRIAL
José Rodríguez
Julio de 2000.
José Rodríguez
Julio de 2000.
Introducción.
Introducción.
Este apunte contiene las figuras más importantes que se emplearán en la
asignatura Electrónica Industrial. Debo resaltar que este material no incluye
las explicaciones ni las ecuaciones que serán deducidas en clases.
Este apunte es un apoyo para entender más los conceptos y para facilitar el
trabajo del alumno en clases y durante el estudio personal y de ninguna
manera constituye un sustituto de la asistencia a clases y a la ayudantía.
Se recomienda a los estudiantes llevar este material a las clases.
José Rodríguez.
Julio de 2000.
i
Indice.
Indice.
CAPÍTULO 1 ........................................................................................................................................................ 1
INTRODUCCIÓN................................................................................................................................................. 1
1.1) ESQUEMA DE ACCIÓN DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA...................................................... 1
1.2) FAMILIA DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS...................................................................................... 2
1.2.1) Clasificación según la forma de la energía. ...............................................................................................2
1.2.2) Convertidores mixtos. ..............................................................................................................................3
1.3) EL INTERRUPTOR SEMICONDUCTOR................................................................................................ 3
1.4) CARACTERISTICAS DEL INTERRUPTOR SEMICONDUCTOR IDEAL............................................ 4
1.5) UN CONVERTIDOR BÁSICO. ................................................................................................................. 4
1.6) ALGUNOS CONVERTIDORES TÍPICOS. .............................................................................................. 5
1.7) APLICACIONES........................................................................................................................................ 5
1.8) NATURALEZA INTERDISCIPLINARIA DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA.............................. 7
CAPÍTULO 2 ........................................................................................................................................................ 8
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA............................................................................... 8
2.1) EL DIODO DE POTENCIA...................................................................................................................... 8
2.2) EL TIRISTOR. ............................................................................................................................................ 9
2.2.1) Ejemplo de funcionamiento de un tiristor................................................................................................ 10
2.3) EL TRIAC. ................................................................................................................................................ 11
2.4) EL TRANSISTOR BIPOLAR.................................................................................................................... 11
2.5) EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO. ....................................................................................... 12
2.6) EL TIRISTOR APAGADO POR EL GATE............................................................................................. 13
2.7) EL TRANSISTOR IGBT. .......................................................................................................................... 13
2.8) COMPARACIÓN DE SEMICONDUCTORES CON CAPACIDAD DE CORTE................................ 14
2.9) CLASIFICACIÓN DE SEMICONDUCTORES SEGÚN SU CONTROLABILIDAD........................... 14
CAPÍTULO 3 ...................................................................................................................................................... 17
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.................... 17
3.1) COMPORTAMIENTO DINÁMICO........................................................................................................ 17
3.1.1) Encendido de un tiristor.......................................................................................................................... 17
3.1.2) Encendido falso por efectos capacitivos:................................................................................................. 18
3.1.3) Efecto de punto caliente en un tiristor:.................................................................................................... 19
3.1.4) Corte del estado de conducción............................................................................................................... 21
3.2) PÉRDIDAS, CALENTAMIENTO Y REFRIGERACIÓN. ...................................................................... 22
3.2.1) Pérdidas:................................................................................................................................................ 22
Pérdidas de conducción:............................................................................................................................... 22
Pérdidas de conmutación. ............................................................................................................................ 22
3.2.2) Calentamiento y refrigeración:................................................................................................................ 23
Modelo térmico estacionario:....................................................................................................................... 23
Modelo térmico dinámico:........................................................................................................................... 24
Disipadores:................................................................................................................................................ 25
CAPÍTULO 4 ...................................................................................................................................................... 27
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL (RECTIFICADORES) ......................................... 27
4.1) TIPOS BÁSICOS DE RECTIFICADORES. ........................................................................................... 27
4.1.1) Rectificador monofásico de media onda.................................................................................................. 28
4.1.2) Rectificador estrella monofásico. ............................................................................................................ 31
4.1.3) Rectificador puente monofásico. ............................................................................................................. 32
4.1.4) Rectificador estrella trifásico. ................................................................................................................. 35
4.1.5) Rectificador trifásico puente. (Puente de Graetz)..................................................................................... 38
4.1.6) Rectificador hexafásico. ......................................................................................................................... 42
4.2) RECTIFICADORES CON DIODO VOLANTE...................................................................................... 43
4.3) OPERACIÓN DE UN RECTIFICADOR COMO INVERSOR. ............................................................. 45
ii
Indice.
4.4) EL NÚMERO DE PULSOS DE UN RECTIFICADOR......................................................................... 45
4.5) OPERACIÓN DE RECTIFICADORES CON CARGA ACTIVA........................................................... 46
4.6) OPERACIÓN CON CARGA CAPACITIVA ........................................................................................... 48
4.7) TRANSFORMADORES PARA RECTIFICADORES............................................................................. 50
4.8) EL PROCESO DE CONMUTACIÓN. .................................................................................................... 51
4.9) CONEXIONES MULTIPLES DE RECTIFICADORES......................................................................... 56
4.9.1) Rectificadores en serie. .......................................................................................................................... 56
4.9.2) Rectificadores en paralelo....................................................................................................................... 59
4.9.3) Rectificadores en antiparalelo: el convertidor dual................................................................................... 60
CAPÍTULO 5 ...................................................................................................................................................... 63
CICLOCONVERSORES .................................................................................................................................... 63
5.1) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO................................................................................................... 63
5.2) CICLOCONVERSORES DE TRES PULSOS......................................................................................... 64
5.3) CICLOCONVERSORES DE 6 PULSOS ................................................................................................ 67
5.4) CICLOCONVERSORES DE 12 PULSOS .............................................................................................. 69
CAPÍTULO 6 ...................................................................................................................................................... 71
CONVERTIDORES DIRECTOS DE FRECUENCIA FIJA (AC-AC) .......................................................... 71
6.1) INTERRUPTOR BIDIRECCIONAL DE ESTADO SÓLIDO ................................................................ 71
6.1.1) Convertidor AC-AC monofásico con control de fase.-............................................................................. 72
6.1.2) Convertidor AC-AC monofásico con control integral de ciclos. ............................................................... 73
6.2) CONVERTIDOR AC-AC TRIFÁSICO.................................................................................................... 73
CAPÍTULO 7 ...................................................................................................................................................... 78
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA................................................................................ 78
7.1) PULSADORES.- ...................................................................................................................................... 78
7.1.1) Principio de funcionamiento.-................................................................................................................. 78
7.2) INVERSORES.- ........................................................................................................................................ 85
7.2.1) Inversores monofásicos.-........................................................................................................................ 85
Inversor semipuente monofásico.................................................................................................................. 85
Inversor puente monofásico ......................................................................................................................... 86
7.2.2) Inversor trifásico fuente de voltaje.-........................................................................................................ 87
CAPÍTULO 8 ...................................................................................................................................................... 90
CIRCUITOS DE DISPARO PARA SEMICONDUCTORES ......................................................................... 90
8.1) ELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITO DE DISPARO.- ............................................................. 90
8.2) CIRCUITOS DE DISPARO CON TRANSISTORES MONOJUNTURA............................................... 92
8.3) CIRCUITOS DE DISPARO AISLADOS PARA SCR. ............................................................................ 93
8.4) CIRCUITOS DE DISPARO INTEGRADOS PARA TIRISTORES........................................................ 94
8.5) CIRCUITOS DE DISPARO PARA TRANSISTORES DE POTENCIA................................................. 98
CAPÍTULO 9 .................................................................................................................................................... 102
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS.................................................... 102
9.1) CONTROL DE RECTIFICADORES.- .................................................................................................. 102
9.2) CONTROL DE CHOPPERS. ................................................................................................................ 107
9.2.1) El control de corriente de dos posiciones (histéresis). ............................................................................ 107
9.2.2) Modulación del ancho de los pulsos (Pulse Width Modulation = PWM)................................................. 110
9.3) CONTROL DE INVERSORES. ............................................................................................................. 113
9.3.1) Inversor monofásico controlado por histéresis....................................................................................... 113
9.3.2) Inversor monofásico con modulación PWM. ......................................................................................... 114
9.3.3) Inversor trifásico con control de corriente. ............................................................................................ 117
9.3.4) Inversor trifásico con modulación PWM. .............................................................................................. 118
iii
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1) ESQUEMA DE ACCIÓN DE LA
ELECTRÓNICA DE POTENCIA.
Red
~
Potencia de
entrada
vi
Mediciones
ii
Procesador de
potencia
Señales de
control
Controlador
Potencia
de salida
i0
v0
Carga
Mediciones
Referencia
Referencia
Fig.1.1.: Diagrama de bloques de un sistema convertidor de potencia.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.2) FAMILIA DE CONVERTIDORES
ESTÁTICOS.
1.2.1)Clasificación según la forma de la energía.
RECTIFICADOR
~
M
Fuente
C.A.
Carga
C.C.
Flujo de Energía
INVERSOR
~
Fuente
C.C.
Carga
C.A.
Flujo de Energía
PULSADOR
(Chopper)
Vcc=Cte
M
Fuente
C.C.
Vcc
Carga
C.C.
Flujo de Energía
CICLOCONVERSOR
V = Cte
f = Cte
~
Fuente
C.A.
~
V
f
Carga
C.A.
Flujo de Energía
Fig.1.2.: Diferentes familias de convertidores de potencia.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.2
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.2.2)Convertidores mixtos.
è Convertidor de frecuencia: fuente de tensión.
V = Cte
f = Cte
Inversor
Rectificador
~
C
Fuente
C.A.
V
f
~
V
Carga
C.A.
P
Fig.1.3.: Convertidor de frecuencia mixto con enlace de tensión continua (fuente de
tensión).
è Convertidor de frecuencia: fuente de corriente.
V = Cte
f = Cte
Rectificador
Inversor
I
V
f
~
~
Fuente
C.A.
Carga
C.A.
P
Fig.1.4.: Convertidor de frecuencia mixto con enlace de corriente continua (fuente de
corriente).
1.3) EL INTERRUPTOR SEMICONDUCTOR.
i
i
i
Conducción
(ON)
Conducción
(ON)
v
v
v
Bloqueo
(OFF)
Bloqueo
(OFF)
a)
b)
c)
Fig.1.5.: Interruptor semiconductor. a) Símbolo; b) característica ideal; c)
característica real.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.3
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.4) CARACTERISTICAS DEL INTERRUPTOR
SEMICONDUCTOR IDEAL.
è Puede bloquear voltajes de cualquier polaridad.
è Conduce corrientes en ambas direcciones sin caída de voltaje.
è
Puede pasar a corte y conducción instantáneamente obedeciendo a una señal de
control.
è La señal de control demanda potencia despreciable.
1.5) UN CONVERTIDOR BÁSICO.
a)
V0(t)
Vd
V0
t
b)
V0(t)
V0(t)
Vd
V0
ton
t off
Ts =
t
1
fs
c)
Fig.1.6.: Fuente de alimentación: a) circuito de potencia; b) funcionamiento lineal; c)
funcionamiento en conmutación.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.4
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.6) ALGUNOS CONVERTIDORES TÍPICOS.
R
n
-
+
-
+
-
+
a
L
b
c
Vd
Vc
Fig.1.7.: Rectificador puente trifásico.
VB
Carga
Fig.1.8.: Inversor trifásico.
1.7) APLICACIONES.
è Transporte:
Trenes, funiculares, trolebuses, automóviles, camiones, metros, barcos, ascensores,
...
è Comercio:
Refrigeración, aire acondicionado, iluminación, computadores, fuentes de
alimentación ininterrumpibles (UPS), escalas mecánicas, ...
è Energía:
Transmisión de corriente continua, enlaces de frecuencia, control de potencia
reactiva, compensación de armónicas, ...
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.5
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
è Industrias:
Bombas, ventiladores, grúas, palas, refinadoras, molinos, correas transportadoras,
máquinas herramientas, robots, hornos, laseres, bobinadoras, laminadoras,...
è Residencial:
Televisión, estufas, cocinas, electrodomésticos, herramientas, iluminación, ...
Fig.1.9.: Ubicación de convertidores en una locomotora.
Fig.1.10.: Diagrama de bloques de un sistema de tracción (locomotora).
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.6
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.8) NATURALEZA INTERDISCIPLINARIA DE
LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA.
Fig.1.11.: Especialidades que interactúan en la electrónica de potencia.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.7
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
DE POTENCIA
2.1) EL DIODO DE POTENCIA.
A
+++
P
N
---
K
a)
b)
c)
d)
Fig.2.1.: Diodo semiconductor: a) estructura; b) símbolo; c) característica v-i; d)
característica v-i ideal.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.8
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
2.2) EL TIRISTOR.
Silicon Controlled Rectifier (SCR)
A
+++
P
N
--+++
P
G
N
---
b)
K
a)
c)
d)
Fig.2.2.: Tiristor: a) estructura; b) característica v-i; c) símbolo; d) característica v-i ideal.
i
A
i
iG1
iG
v
iG2
iG3
IH
IL
iG = 0
v
iG1 > iG2 > iG3
K
Fig.2.3.: Tiristor con corriente en el gate.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.9
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
2.2.1)Ejemplo de funcionamiento de un tiristor.
vAK
vd
id
iG
id
vS
R
vd
Fig.2.4.: Funcionamiento de un tiristor.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.10
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
2.3) EL TRIAC.
Triode Alternating Current Switch
i
A1
i
Conducción
i
Conducción
iG
Bloqueo
v
Corte
iG = 0
IH
G
v
v
A2
a)
b)
c)
Fig.2.5.: Triac: a) símbolo; b) característica v-i; c) característica v-i ideal.
2.4) EL TRANSISTOR BIPOLAR.
Bipolar Junction Transistor (BJT)
a)
b)
c)
Fig.2.6.: Transistor bipolar NPN: a) símbolo; b) característica v-i; c) característica
v-i ideal.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.11
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
a)
b)
Fig.2.7.: Transistor bipolar; a) Darlington; b) triple Darlington.
2.5) EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO.
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)
a)
b)
c)
Fig.2.8.: Transistor de efecto de campo canal N; a) símbolo; b) característica v-i; b)
característica v-i ideal.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.12
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
2.6) EL TIRISTOR APAGADO POR EL GATE.
Gate Turn Off Thyristor ( GTO )
a)
b)
c)
Fig.2.9.: GTO: a) símbolo; b) característica v-i; c) característica v-i ideal.
2.7) EL TRANSISTOR IGBT.
a)
c)
b)
d)
Fig.2.10.: IGBT: a) símbolo; b) circuito equivalente; c) característica v-i; c) característica
v-i ideal.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.13
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
2.8) COMPARACIÓN DE SEMICONDUCTORES
CON CAPACIDAD DE CORTE.
Elemento
MOSFET
BIPOLAR
IGBT
GTO
Potencia
Baja
Media
Media
Alta
Rapidez de conmutación
Alta
Media
Media
Baja
Fig.2.11.: Capacidad de semiconductores de potencia. Estado al año 1995 (aprox.).
2.9) CLASIFICACIÓN DE SEMICONDUCTORES
SEGÚN SU CONTROLABILIDAD.
DIODOS: Paso al estado de coucción (ON) y al estado de corte (OFF) controlado por el
circuito de potencia.
TIRISTORES: Paso a conducción (ON) mediante pulso de control. Paso al estado de corte
(OFF) controlado por el circuito de potencia.
INTERRUPTORES CONTROLADOS: Paso a conducción (ON) y a corte(OFF)
mediante pulsos de control
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.14
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Fig.2.12.: Diferentes tipos de semiconductores.
Fig.2.13.: Diferentes tipos de semiconductores.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.15
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
IGBT. 1200 [V] / 10 [A].
2 IGBT’S 1200[V] / 150 [A].
IGBT. 1200 [V] / 400 [A].
INVERSOR TRIFÁSICO.
INVERSOR – RECTIFICADOR Y CHOPPER DE FRENADO.
Fig.2.14.: Diversos semiconductores de potencia.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.16
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN
DE LOS SEMICONDUCTORES DE
POTENCIA
3.1) COMPORTAMIENTO DINÁMICO.
3.1.1)Encendido de un tiristor.
Fig.3.1.: Encendido de un tiristor.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.17
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
V AK, iA
V AK
di A V
≈
dt
L
V AK
iA
iG
V
L
IL
t
IG
t
Fig.3.2.: Encendido de un tiristor con carga inductiva.
3.1.2)Encendido falso por efectos capacitivos:
A( + )
(+)
+++
P
G
N
--+++
P
N
---
(A)
A
CD1
iC
CR
CR
G
G
CD2
K
(-)
(K)
K( - )
Fig.3.3.: Tiristor: a) estructura; b) modelo de capacidades; c) modelo simplificado sin
capacidades de difusión.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.18
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
3.1.3)Efecto de punto caliente en un tiristor:
a)
b)
Fig.3.4.: Aspectos estructurales de un tiristor: a) corte vertical; b) arreglos de gate; c)
símbolo.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.19
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
a)
b)
Fig.3.5.: Crecimiento del área de conducción en un tiristor; a) Inyección de portadores a la
región p 2 por la corriente de gate; b) crecimiento del área de conducción.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.20
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
3.1.4)Corte del estado de conducción.
iA
t
vAK
t
a)
b)
Fig.3.6.: Corriente inversa en un diodo o tiristor: a) ideal; b) real.
a)
b)
Fig.3.7.: Corte de un tiristor: a) corriente; b) tensión ánodo-cátodo.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.21
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
3.2) PÉRDIDAS, CALENTAMIENTO Y
REFRIGERACIÓN.
3.2.1)Pérdidas:
Pérdidas de conducción:
i
A
Rc
V0 ≈ 0.7[V ]
K
V AK
a)
b)
Fig.3.8.: a) Característica de conducción de un diodo; b) modelo circuital.
Pérdidas de conmutación.
VControl
b)
On
0
tOn
Vd
v T iT
i0
+
tOff
1
Ts =
fs
vd
iT
VT
t
Off
Off
vd
I0
c)
t
a)
P T(t)
td(on)
tri tfv
td(off)
trv
t fi
Vd ⋅ I0
d)
t
tc(On)
tc(Off)
Fig.3.9.: Conmutación de un semiconductor controlado: a) circuito; b) tensión de
control; c) tensión y corriente y d) potencia.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.22
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
3.2.2)Calentamiento y refrigeración:
Fig.3.10.: Flujo de calor en el semiconductor.
Modelo térmico estacionario:
J
RθJC
C
RθCD
P
TJ
D
TC
Rθ DA
TD
A
TA
Fig.3.11.: Diodo montado en
un disipador.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Fig.3.12.: Modelo térmico estacionario.
Pág.23
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Modelo térmico dinámico:
TJ
Rθ JC
CJ
P(t)
Rθ CD
TC
Rθ DA
TD
CC
CD
TA
Fig.3.13.: Modelo térmico dinámico.
TJ
J
P(t)
R
C
A
TJ
TA
I
iC
iR
C
R
PR
v
t
τ th
TA
a)
TA
b)
c)
Fig.3.14.: a) Modelo dinámico simplificado; b) análogo eléctrico; c) temperatura.
Fig.3.15.: Comportamiento dinámico de la temperatura.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.24
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Disipadores:
Fig.3.16.: Diversos disipadores para semiconductores de potencia.
Fig.3.17.: Disipador para rectificador puente trifásico.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.25
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Fig.3.18.: Inversor trifásico montado en un disipador.
Fig.3.19.: Tiristores refrigerados por agua.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.26
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE
CONMUTACIÓN NATURAL
(RECTIFICADORES)
4.1) TIPOS BÁSICOS DE RECTIFICADORES.
vd
Inversor
II
id R
vd
Rectificador
I
id
L
C.A
Rectificador
III
Inversor
IV
Fig.4.1.: Cuadrantes de operación de un rectificador.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.27
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.1.1)Rectificador monofásico de media onda.
vd,id
v̂
vAK
vs
id
R
ωt
0
vd
vs
v̂
vs
ωt
0
vAK
Fig.4.2.: Rectificador monofásico no controlado con carga resistiva.
Fig.4.3.: Rectificador monofásico no controlado con carga inductiva.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.28
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
Fig.4.4.: Rectificador monofásico no controlado con carga inductiva-activa.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.29
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
Fig.4.5.: Rectificador monofásico controlado.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.30
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.1.2)Rectificador estrella monofásico.
T1
is
v1
N2
v
v
vT1 iT1
v2
N1
id
N
R
iT2
T2
vd
vT2
is
is
is = iT1 ·
N2
N1
is = iT2 ·
0
ig2
iT1
N1
vd
v̂
ig1
N2
α
v1
v2
ωt
0
ωt
0
ωt
0
ωt
0
ωt
0
ωt
iT2
is
Fig.4.6.: Rectificador estrella monofásico con carga resistiva.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.31
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
Fig.4.7.: Efecto de la constante de tiempo de la carga sobre la corriente.
4.1.3)Rectificador puente monofásico.
P
D1
vs
+
ig1
D3
T1
is
D4
id
vd
D2
R v
s
+
a)
id
T3
is
T4
N
P
vd
Carga
T2
N
b)
Fig.4.8.: Rectificador puente monofásico: a) no controlado; b) totalmente controlado.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.32
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
vd
v̂
ωt
0
ig1 ,ig2 α
0
ωt
0
ωt
ig3 ,ig4
iT1 ,iT2
ωt
0
iT3 ,iT4
ωt
0
is
ωt
0
Fig.4.9.: Formas de onda del rectificador puente monofásico totalmente controlado con
carga resistiva. (Ver Fig.4.8-b).
v̂
ωt
0
id
Id
0
ig1 ,ig2
α
0
ig3 ,ig4
0
iT1
0
iT2
0
is
0
ωt
ωt
ωt
ωt
ωt
ωt
Fig.4.10.: Formas de onda del rectificador puente monofásico totalmente controlado con
carga inductiva (L→∞).
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.33
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
is
v
+
v1
id
P
ig1
T1
T2
i T1
i T2
P
Ld
vd
v
vd
v2
iD1
D1
v
id
Ld
+
vd
Rd
Rd
i D2
D2
N
N
Fig.4.11.: Rectificador puente monofásico semicontrolado: a) simétrico; b) asimétrico.
v̂
2
v2
v̂
vd
ig1 α
vPO
v1
ωt
vNO
ωt
ωt
ig2
iT1
iT2
ωt
ωt
ωt
iD1
iD2
is
ωt
ωt
ωt
Fig.4.12.: Formas de onda del rectificador semicontrolado simétrico de la fig.4.11-a), con
carga Ld→∞.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.34
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.1.4)Rectificador estrella trifásico.
vD1
i1
v2
v1
v3
i2
i3
L
R
v
d
Fig.4.13.: Rectificador estrella trifásico no controlado.
vd
↓
V̂
0
← v1
−V̂
30º
i
i
i
150º
d
1
←v
2
270º
390º
←v
ωt
3
510º
630º
Id
Id
750º
ωt
ωt
2
ωt
i
3
ωt
vD1
ωt
− 3⋅V̂
Fig.4.14.: Formas de onda del rectificador estrella de la figura 4.13.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.35
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
vT1
v2
v1
v3
i1
ig1
i2
ig2
id
ig3
i3
L
R
v
d
Fig.4.15.: Rectificador estrella trifásico controlado.
α
↓
vd
V̂
0
← v1
−V̂
30º
150º
270º
← v
2
390º
← v3
510º
ωt
630º
750º
ig
1
ig
2
ig
3
i
d
i1
i2
i3
ωt
ωt
ωt
ωt
ωt
ωt
ωt
vT1
− 3 ⋅V̂
ωt
Fig.4.16.: Formas de onda del rectificador estrella de la figura 4.15.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.36
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
α=30º
vd
ωt
vd
α=90º
ωt
vd
α=135º
ωt
Fig.4.17.: Tensión en la carga de un rectificador estrella trifásico con carga resistiva pura.
α=30º
vd
ωt
vd
α=90º
ωt
vd
α=135º
ωt
Fig.4.18.: Tensión en la carga de un rectificador estrella trifásico con carga R-L (Ld→∞).
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.37
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.1.5)Rectificador trifásico puente. (Puente de
Graetz).
id
P
iD1
v1
i2'
i1
v2
iy
VD1
D1
iD3
iD5
D3
D5
L
i2
0
i3
v3
i1'
D4
D6
vd
R
D2
i D4
i D6
iD2
N
Fig.4.19.: Rectificador puente trifásico no controlado.
V D1
0
v1
i1
v2
i2
v3
i3
iD1
D1
iD3
D3
iD5
D5
P id
L
iD4
D4
iD6
D6
iD2
D2
vd
R
N
Fig.4.20.: Otra forma de ver el rectificador de la figura 4.19.
iT 1
id
P
ig1
VD1
v1
i1
v2
i2
0
v3
T1
T3
T5
iT 3
iT 5
L
R
i3
T4
T6
T2
iT 4
iT 6
iT 2
vd
N
Fig.4.21.: Rectificador puente trifásico controlado.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.38
CAPÍTULO 4
v̂
vd
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
vPO
v1
v2
v3
ωt
vNO
ωt
id
iD1
iD2
iD3
iD4
iD5
iD6
ωt
ωt
ωt
ωt
ωt
ωt
ωt
i1
ωt
i2
ωt
i3
ωt
iy
ωt
v D1
ωt
Fig.4.22.: Formas de onda del rectificador puente controlado de las figuras 4.19 y 4.20.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.39
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
α=45º
v̂
v1
v2
vPO
v3
ωt
v NO
vd
3 ⋅ v̂
ωt
i g1
i g4
ωt
60 º
ωt
i g3
ωt
i g6
ωt
i g5
ωt
i g2
ωt
id
Id
ωt
iT1
ωt
iT2
ωt
iT3
ωt
iT4
ωt
iT5
ωt
iT6
ωt
i1
T1
T1
T4
T4
ωt
Fig.4.23.: Formas de onda del rectificador puente controlado.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.40
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
iT1
id
P
ig1
v1
i1
v2
i2
v3
i3
0
T1
T3
T5
iT3
iT5
L
vd
R
D4
D6
D2
iD4
iD6
iD2
N
Fig.4.24.: Rectificador puente trifásico semicontrolado.
α=45º
v2
v̂
v3
v1
vPO
ωt
v NO
vd
3 ⋅ v̂
ωt
iT
T5
iD
T1
D6
D2
i1
T3
T5
D4
D6
id
T1
D2
T3
id
D4
id
ωt
ωt
ωt
id
Fig.4.25.: Formas de onda del rectificador de la figura 4.24 con α = 45º.
α=105º
v2
v̂
v3
v1
vPO
ωt
vNO
vd
3 ⋅ v̂
ωt
iT
T5
T1
T3
T5
T1
T3
id
ωt
iD
D6
i1
D2
D4
D6
id
id
D2
D4
id
ωt
ωt
Fig.4.26.: Formas de onda del rectificador de la figura 4.24 con α = 105º.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.41
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.1.6)Rectificador hexafásico.
T1
i1
T2
i2
T3
v2
v3
id
v1
v4
v6
v5
T4
L
T5
R
vd
T6
Fig.4.27.: Rectificador hexafásico.
α
v̂
v1
v2
v3
v4 v5
v6
vd
ωt
0
i1
ωt
i2
ωt
Fig.4.28.: Formas de onda del rectificador hexafásico.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.42
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.2) RECTIFICADORES CON DIODO
VOLANTE.
α
v̂
vd
ωt
is
R
iD
v
id
id
T1
vR
DV
L
vL
vd
ωt
is
ωt
iD
ωt
Conduce T1 Conduce DV
Fig.4.29.: Rectificador monofásico con diodo volante.
iT1
id
P
ig1
v1
i1
v2
i2
v3
i3
0
iD
T1
T3
T5
iT3
iT5
L
DV
vd
R
T4
T6
T2
iT4
iT6
iT2
N
Fig.4.30.: Rectificador trifásico puente con diodo volante.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.43
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
vPO
0
ωt
0
ωt
0
ωt
0
ωt
v NO
vd
i1
i2
0
ωt
0
ωt
0
ωt
i3
iD
Fig.4.31.: Formas de onda del rectificador trifásico puente con diodo volante.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.44
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.3) OPERACIÓN DE UN RECTIFICADOR
COMO INVERSOR.
vT1
v1
i1
T1
ig1
v2
i2
T2
ig2
id
v3
i3
T3
i g3
Ld
+-
vd
+-
α=30º
α=60º
α=90º
α=120º
α=150º
v̂
ωt
v1
v2
Rectificador
v3
vd
Inversor
Id
ωt
Fig.4.32.: Operación de un rectificador con ángulo de disparo variable.
4.4) EL NÚMERO DE PULSOS DE UN
RECTIFICADOR
vd
v̂
ωt
0
v̂
T
T
p=2
vred
vd
vd
ωt
p=3
ωt
p=6
Pulso
3 ⋅ v̂
T
Fig.4.33.: Sobre la definición del número de pulsos de un rectificador.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.45
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.5) OPERACIÓN DE RECTIFICADORES CON
CARGA ACTIVA
R
R
L
L
VB
Vrot
a)
b)
Fig.4.34.: Rectificadores con carga activa: a) batería; b) motor de corriente continua.
Rango de control
α=60º
T1
v1
v
vAK
N2
vd
V̂
VB
id
ωt
N
v2
R
VB
vd
T2
α min
id
v 2 α max
v1
ωt
a)
T1
v1
v
vAK
N2
α=60º
id
N
v2
vd
R
VB
vd
ωt
VB
v2
T2
v1
Rango de control
b)
Fig.4.35.: Rectificador con carga activa-resistiva: a) VB > 0; b) VB < 0.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.46
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
id
iS
Ls
+
vs
D1
D3
A
vL
Vd
D4
D2
id
Ls
+
vs
-
B
+
+
Vd
-
a)
-
b)
c)
Fig.4.36.: Rectificador monofásico con carga activa-inductiva: a) circuito; b) circuito
equivalente; c) formas de onda.
α=120º
V̂
T1
vd
ωt
A
0
VB
v1
v
vAK
N2
id
v2
v2
id
N
L
VB
B
v1
vd
0
T2
ωt
Fig.4.37: Rectificador monofásico con carga activa-inductiva (VB < 0).
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.47
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.6) OPERACIÓN CON CARGA CAPACITIVA
vAK
R1
id
i
ic
vs
+
C
-
R d vd
a)
vs
V̂
vd
t
0
T
i = ic+ id
id
t
0
ic
b)
Fig.4.38.: Rectificador monofásico de media onda con carga capacitiva: a) circuito; b)
formas de onda.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.48
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
Rdc iD
is(t)
vs
D1
Ldc
ic
D3
A
+
D4
D2
R
vd
C
B
a)
vd
vs
is
t
0
b)
isn
[% ]
i s1
100
50
Frecuencia (KHz)
c)
Fig.4.39.: Rectificador puente monofásico con carga capacitiva: a) circuito; b) formas de
onda; c) armónicas de la corriente is(t).
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.49
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.7) TRANSFORMADORES PARA
RECTIFICADORES.
ip
vp
vS
D1
vR
D2
vT
D3
is
id
Ld
vd
R
a)
vd
V̂
ωt = x
0
vS
is
Id
vR
vT
b1
0
ωt = x
ip
Id/3
ωt = x
0
b)
Fig.4.40.: Transformador delta-estrella alimentando a un rectificador estrella trifásico: a)
circuito; b) formas de onda.
v
i
2π
3
Id
2π
3
ωt
Fig.4.41.: Corriente en el primario y en el secundario de un transformador estrella-estrella
alimentando a un rectificador puente trifásico.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.50
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.8) EL PROCESO DE CONMUTACIÓN.
v1
-
+
v2
-
+
v3
-
+
i1
Lk
Rk
T1
i2
Lk
Rk
T2
i3
Lk
Rk
T3
i d = Id
id
Ld
vd
R
a)
3 ⋅ v̂
v̂
v 21=v 2-v 1
vd
ωt
0
v1
v2
v3
id
Id
i1
µ0
ωt
ωt
i2
ωt
i3
ωt
b)
Fig.4.42.: Proceso de conmutación con α = 0; a) circuito; b) formas de onda.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.51
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
µ0
v
v1
v
v2
ωt
0
i
i1
α
Id
ωt
i1
i2
Id
ωt
vd
vd
v2
0
i
i2
v1
µ
vd
vd
ωt
0
ωt
0
v1 + v 2
2
v1
ωt
v1 + v 2
2
v2
v1
a)
v2
b)
Fig.4.43.: Efecto del ángulo de disparo α sobre el ángulo de conmutación µ: a) α = 0;
b) α = 45º.
α
µ
v̂
v̂
2
v1
v2
v3
vd
ωt=x
0
v1 + v 2
2
x=0
Fig.4.44.: Formas de onda para calcular la tensión en la carga considerando la
conmutación.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.52
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
-
-
-
v1
v2
v3
+
+
+
vAK
i1
Lk
T1
i2
Lk
T2
i3
Lk
T3
id
Ld
vd
R
a)
α = 150º
v1
v2
v3
v1 + v 2
2
ωt
0
vd
µ
vAK
v13 v12
ωt
0
γ
β
b)
Fig.4.45.: Ángulo de disparo máximo; a) circuito; b) formas de onda.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.53
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
α = 150º
v1
vd
α = 165º
v2
v1 + v 2
2
v3
ωt
0
vAK
v13
v12
vAK (T1)
ωt
0
i1
id
i2
i3
i1
i1
ωt
0
Fig.4.46.: Falla en la conmutación de un rectificador.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.54
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
Fig.4.47.: Rectificador puente trifásico con ángulo de disparo variable: a) tensiones de
grupos positivo y negativo; b) tensión en la carga; c) tensión ánodo-cátodo de un tiristor.
Conmutación ideal.
Fig.4.48.: Rectificador puente trifásico con ángulo de disparo variable: a) tensiones de
grupos positivo y negativo; b) corriente de entrada; c) tensión en la carga. Conmutación
real.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.55
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.9) CONEXIONES MULTIPLES DE
RECTIFICADORES.
4.9.1)Rectificadores en serie.
id
vR1
L
C.A
v1
v2
v3
L
vd
vd
R
R
vR2
C.A
v4
v 1,v4
v3,v6
v6
vd
2V̂
Vmed
v5
vR1
vR2
ωt
v2,v5
v3 ,v6
v1
v6
v5
Vmed
vR2
v1,v4
v2 ,v5
vd
vR1
ωt
v3
v2
v4
v 1 v 6 v2 v 4 v3 v 5
Fig.4.49.: Rectificadores en serie.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.56
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
v1
v2
v3
Primario(∆)
v4
v5
v6
Secundario( )
v8
v9
Secundario(∆)
IM
VDE
Y
VAB
30º
A
v AB
B
RE
v7
D
v DE
v2
v1
v DE
E
v3
ωt
vAB
ωt
Fig.4.50.: Transformador de tres devanados.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.57
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
1
Primario ( ∆ )
vR1
L
(Y)
R
Secundarios
vd
(∆ )
2
v
vR2
vd
vd
p=12
vR1
vR2
ωt
Fig.4.51.: Rectificador de doce pulsos.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.58
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.9.2)Rectificadores en paralelo
Rectificador 1
Rectificador 2
id1
id2
Id
L
vd1
i1
i2
v1
vd
i3
v2
v3
vd
i6
v5
vd2
v6
v ri
2
vd2
vd
α = 0º
i5
v4
R
v ri
2
Reactor de
interfase
i4
vd1
ωt
v1
vri
v6
v2
v4
v3
v5
ωt
v1-5
id1
v 1-6
i2
i1
i2
i1
i3
i3
Id
2
ωt
id2
i6
i4
i5
i6
i4
Id
2
ωt
Fig.4.52.: Rectificador doble estrella con reactancia de interfase.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.59
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
4.9.3)Rectificadores en antiparalelo: el convertidor
dual.
id
Rect I
Rect II
a)
id
II
id
I
0
vd
0
III
b)
Rect I
vd
IV
Rect II
Fig.4.53.: Convertidor dual: a) esquema básico; b) cuadrantes de operación.
L1
L2
L3
vd2
vd1
Rect 2
Rect 1
1'
1
2'
2
M.G
3'
3
a)
b)
Fig.4.54.: Convertidor dual de 3 pulsos: a) circuito; b) formas de onda.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.60
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
vs1
vs3
vs2
v d2
M.G
vd1
1'
1
2'
2
id
3'
3
vkr
ikr
Fig.4.56.: Camino de la corriente circulante.
Fig.4.57.:Formas de onda del convertidor dual con corriente circulante de la figura 4.53.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.61
CAPÍTULO 4
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL
L KR
LKR
IKR'
IKR'
1
1
2
1
2
3
2
1
2
3
IKR''
A
LKR
L KR
IKR''
B
A
a)
LKR
IKR
Tr1
B
A
b)
IKR
Tr2
B
A
B
c)
d)
1
2
3
1
2
3
LD
A
B
e)
Fig.4.58.: Algunos convertidores duales: a) y c) moonofásicos; b) y c) trifásicos con
corriente circulante y e) trifásico sin corriente circulante.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág.62
CAPÍTULO 5
CICLOCONVERSORES
CAPÍTULO 5
CICLOCONVERSORES
5.1) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.
I
L
R
id
vd
Carga
II
Fig.5.1.: Esquema de un cicloconversor.
vd , i d
vd
id
ωt
0
ϕ
II
I
I
II
II
Inv
Rectificador
Inv
Rectificador
A
B
C
D
Inv
E
Fig.5.2.: Formas de onda de un cicloconversor.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 63
CAPÍTULO 5
CICLOCONVERSORES
5.2) CICLOCONVERSORES DE TRES PULSOS
va
vb
N
vc
iap
ia
ib
ic
id
vd
va
ia
vb
ib
vc
ic
P
id
ian
vd
N
Fig.5.3.: Formas de onda de un cicloconversor de punto medio con carga resistiva.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 64
CAPÍTULO 5
CICLOCONVERSORES
foutput
f input
≈
1
5
foutput ≈ 10 Hz
Fig.5.4.: Formas de onda de un cicloconversor de tres pulsos con carga inductiva.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 65
CAPÍTULO 5
CICLOCONVERSORES
Fase 1
Fase 2
N
N
Fase 3
Fig.5.5.: Cicloconversor de 3 pulsos con carga trifásica.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 66
CAPÍTULO 5
CICLOCONVERSORES
5.3) CICLOCONVERSORES DE 6 PULSOS
id
I
va
II
Ld
vb
vc
vd
R
Fig.5.6.: Cicloconversor de 6 pulsos con carga monofásica.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 67
CAPÍTULO 5
CICLOCONVERSORES
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Fig.5.7.: Cicloconversor de 6 pulsos trifásico.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 68
CAPÍTULO 5
CICLOCONVERSORES
5.4) CICLOCONVERSORES DE 12 PULSOS
Fuente de
Poder
Interruptor
de
Alto Voltaje
Exitación
Transformador
de Potencia
CicloConversor
iL1
Lazo de
Control
Variable de Referencia
iL2
v L1
v L2
M
3-
iL1,L2,L3
v L1,L2,L3
iL3
v L3
Motor
trifásico
Variable de actuación
iL1 a iL3 Corrientes del Motor
v L1 a v L3 Voltajes del Motor
Fig.5.8.: Cicloconversor de 12 pulsos alimentando un motor sincrónico.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 69
CAPÍTULO 5
CICLOCONVERSORES
Fig.5.9.: Formas de onda del voltaje generado por el cicloconversor de 12 pulsos.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 70
CAPÍTULO 6
CONVERTIDORES DE FRECUENCIA FIJA
CAPÍTULO 6
CONVERTIDORES DIRECTOS DE
FRECUENCIA FIJA (AC-AC)
6.1) INTERRUPTOR BIDIRECCIONAL DE
ESTADO SÓLIDO
iS
i G2
vs
iS
id
Circuito de
disparo
a)
iG1
id
iG
L
vd
R
vs
Circuito de
disparo
L
vd
R
b)
Fig.6.1.: Interruptor estático de corriente alterna con: a) tiristores; b) triacs.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 71
CAPÍTULO 6
CONVERTIDORES DIRECTOS DE FRECUENCIA FIJA
6.1.1)Convertidor AC-AC monofásico con control de
fase.α = 40º
v
vs
α = 100º
vd
v
vs
vd
ωt
iG1
ωt
iG1
ωt
iG2
ωt
iG2
ωt
ωt
a)
v
α=150º
vs
α=120º
α=110º
α=90º
vd
ωt
id
ωt
iG1
ωt
iG2
ωt
b)
N
Fig.6.2.: Convertidor AC-AC monofásico con control de fase: a) carga resistiva; b) carga
inductiva; c) característica de tensión en la carga.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 72
CAPÍTULO 6
CONVERTIDORES DIRECTOS DE FRECUENCIA FIJA
6.1.2)Convertidor AC-AC monofásico con control
integral de ciclos.
v
vd
vs
ωt
T1
T
T2
iG1
ωt
iG2
ωt
Fig.6.3.: Formas de onda del convertidor AC-AC monofásico de la figura 6.1 con control
integral de ciclos.-
6.2) CONVERTIDOR AC-AC TRIFÁSICO.
va
T1
+
ia
L
R
L
R
L
R
A
T2
T3
vb
+
n
ib
N
B
T4
T5
vc
+
ic
C
T6
Fig.6.4.: Circuito de potencia de un convertidor AC-AC trifásico completamente
controlado.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 73
CAPÍTULO 6
CONVERTIDORES DIRECTOS DE FRECUENCIA FIJA
va
T1
+
ia
L
R
L
R
L
R
A
T2
T3
vb
n
+
ib
N
B
T4
T5
vc
+
ic
C
T6
va
vb
vc
ωt
0
ig1
ωt
ig2
ωt
ig3
ωt
ig4
ωt
ig5
ωt
ig6
ωt
ia
ωt
0
vab
ωt
0
T1
T1
T1
T2
T2
T2
T1
T1
T1
T2
Fase a
T4
T4
T3
T3
T3
T4
T4
T4
T3
T3
Fase b
T5
T6
T6
T6
T5
T5
T5
T6
T6
T6
Fase c
Fig.6.5.: Convertidor AC-AC trifásico completamente controlado con carga resistiva y
α = 0º.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 74
CAPÍTULO 6
CONVERTIDORES DIRECTOS DE FRECUENCIA FIJA
va
T1
ia
+
L
R
L
R
L
R
A
T2
T3
vb
n
ib
+
N
B
T4
T5
vc
ic
+
C
T6
va
α=30º
vb
vc
ωt
0
ig1
ωt
ig2
ωt
ig3
ωt
ig4
ωt
ig5
ωt
ig6
ωt
ia
ωt
0
vab
ωt
0
T1 T1 T1 T1 T1
T4 T4 T4 T4
T 5 T5
T2 T2 T2 T2 T2
T3 T3 T3 T3 T3
T6 T6 T6 T6 T6
T2
Fase a
T 3 T3 T 3
Fase b
T 6 T6 T 6 T6 T 6
Fase c
T1 T 1 T 1 T1 T 1
T4 T4 T4 T 4 T 4
T5 T5 T5 T5 T5
Fig.6.6.: Formas de onda de un convertidor AC-AC trifásico completamente controlado
(α = 30º).
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 75
CAPÍTULO 6
CONVERTIDORES DIRECTOS DE FRECUENCIA FIJA
Fig.6.7.: Corriente ia en un convertidor AC-AC trifásico con carga resistiva y diferentes
ángulos de disparo α.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 76
CAPÍTULO 6
CONVERTIDORES DIRECTOS DE FRECUENCIA FIJA
Fig.6.8.: Oscilogramas de la corriente en el convertidor AC-AC trifásico de la figura 6.4
con carga inductiva-resistiva.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 77
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE
CONMUTACIÓN FORZADA
7.1) PULSADORES.Se los conoce también como:
* Convertidores CC-CC.
* Choppers.
7.1.1)Principio de funcionamiento.ie
VB
+
id
T
iD
D
L
vd
R
Fig.7.1.: Chopper reductor (Buck).
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 78
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
ie
id
L
+
VB
id
iD
vd
R
L
vd
R
a) ton
b) toff
vd
VB
id
0
ton
t
toff
T
iT1
t
iD1
t
c)
Vd =
1
T
D=
Vd
T
∫v
0
ton
T
d
dt
VB
0
1
D
d)
Fig.7.2.: Chopper reductor: a) y b) circuitos equivalentes; c) formas de onda;d) tensión
versus ciclo de trabajo D.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 79
CAPÍTULO 7
VB
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
+
VB
a)
+
+
vd
b)
id
D1
T1
VB
id
+
T2
vd
vd
D2
+
c)
id
T1
V
vd
T3
+
id
T2
R
vd
L
T4
d)
Fig.7.3.: Estructuras básicas de convertidores CC-CC: a) reductor (Buck); b) elevador
(Boost); c) de dos cuadrantes; d) de 4 cuadrantes (puente).
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 80
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
iL
vL
VB
id
D iD
L
iC
iT
+
vd > VB
R vd
T
a)
iL
id
L
L
iD
id
iT
+
VB
iL
R vd
b) ton
VB
+
vd
R
c) toff
vd
ton
T
toff
t
iL
t
iT
t
iD
t
d)
Fig.7.4.: Convertidor CC-CC elevador (Boost): a), b) y c) circuitos de potencia y
equivalentes; d) formas de onda.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 81
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
iT 1
vd
VB
id
D1
T1
id
+
VB
ton
iD2
t
L
D2
T2
toff
+
iT1
vd
R
VC
t
id
iD2
I
vd
t
a)
vd
VB
iD1
t on
D1
T1
VB
iT2
t
L
D2
T2
t
id
id
+
t off
R
vd
iT2
+ V
C
id
t
iD1
vd
II
t
b)
Fig.7.5.: Chopper de dos cuadrantes.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 82
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
iT 1
iD3
T1
VB
D1
D3
T3
vd
id
+
T2
L
R
id
vd
iT 4
iD2
VB
I
D4
T4
D2
vd
id
0
t
-V B
i T1
i T4
t
iD2
iD3
t
Fig.7.6.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante I.
iT 1
T1
VB
iD3
D1
vd
T3
id
D3
+
R
id
T2
D2
iD2
+
L
II
D4
T4
vd
iT 4
id
VB
0
t
-VB
vd
Fig.7.7.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante II.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 83
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
iT1
iD3
T1
VB
D1
vd
T3
D3
vd
III
+
R
id
T2
L
D4
T4
D2
id
iT4
iD2
VB
0
t
-V B
vd
id
Fig.7.8.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante III.
iT 1
T1
VB
iD3
D1
vd
T3
vd
D3
IV
+
id
T2
D2
iD2
VB
R
+
L
D4
T4
iT 4
vd
0
-V B
id
t
id
Fig.7.9.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante IV.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 84
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
7.2) INVERSORES.7.2.1)Inversores monofásicos.Inversor semipuente monofásico
iT1
VB
2
+
vd
R
VB
2
T1
iD1
L
+
D1
id
iD2
T2
D2
iT2
a)
vd
vd
VB/2
VB/2
id
id
t
T/2
t
T/2
-VB/2
-VB/2
T
T
iT1
iT1
t
t
iD1
iD1
t
t
iT2
iT2
t
t
iD2
iD2
t
t
iBT1
iBT1
t
t
iBT2
iBT2
t
b)
t
c)
Fig.7.10.: Inversor semipuente monofásico: a) circuito; b) formas de onda con carga
resistiva; c) formas de onda con carga resistiva-inductiva.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 85
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
Inversor puente monofásico
iBT1
T1
iT1
iD1
iT3
D1
vd
VB
iD3
D3
T3
+
id
T2
iT2
D2
iD2
R
L
T4
iT4
D4
iD4
vd
VB
id
t
T/2
-V B
T
iT1,T4
iD1,D4
iT2,T3
iD2,D3
iBT1,BT4
iBT2,BT3
t
t
t
t
t
t
Fig.7.11.: Inversor puente monofásico: a) circuito; b) formas de onda.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 86
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
7.2.2)Inversor trifásico fuente de voltaje.-
+
Vd
a
b
Motor
c
N
Fig.7.12.: Circuito de potencia de un inversor trifásico fuente de voltaje.
iS
a
Vd
vS
b
Motor
c
N
Fig.7.13.: Inversor trifásico conectado a una red monofásica.
is
+
Vd
-
60-Hz
Entrada ac
a
b
Motor
c
N
Fig.7.14.: Inversor trifásico conectado a una red trifásica.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 87
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
+
iT1
+
Vd
iT2
Vd
2
T1
D1
Vd
2
T4
D4
iT3
D2
T2
T3
D3
T6
D6
o
+
D5
T5
iT4
iT5
-
iT6
R
T
S
vS
vR
Carga
vT
N
Conduce
T1
0º
60 º
120 º
180 º
240 º
300 º
360 º
No conduce
ωt
T2
ωt
T3
ωt
T4
ωt a)
T5
ωt
T6
ωt
vRS
Vd
ωt
vST
Vd
vTR
Vd
vR
Vd
3
vT
ωt
ωt
2
V
3 d
vS
vN O
ωt b)
ωt c)
ωt
Vd/6
ωt d)
Fig.7.15.: Formas de onda de voltajes en un inversor trifásico: a) estados de conducción; b)
tensiones entre líneas; c) tensiones fase-neutro en la carga; d) tensión del neutro.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 88
CAPÍTULO 7
CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA
+
iT 2
iT 1
+
Vd
Vd
2
T1
Vd
2
T4
T2
D4
T5
D2
T3
D3
T6
D6
i D1
o
+
D1
iT 3
iT 4
iD4
D5
iT 6
iT 5
-
R
T
S
vS
vR
Carga
vT
N
Conduce
No Conduce
T1
ωt
T2
ωt
vRS
ωt
vR , iR
iR
vR
ωt
iT1
ωt
iD1
ωt
iT4
ωt
iD4
ωt
Fig.7.16.: Formas de onda de voltajes y corrientes en un inversor trifásico sin modulación
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 89
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPARO PARA
SEMICONDUCTORES
8.1) ELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITO
DE DISPARO.T1
+
220 Vref
iG
Ld
vs
vd
R
Vcc
iG
v sinc Circuito de
disparo
vs
Tr
vc
Fig. 8.1.: Esquema básico de un circuito de disparo.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 90
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
Generador de
diente de sierra
Tensión de
sincronismo
Multivibrador
monoestable
Comparador
vds
K
Al Gate
vc
Fig. 8.2.: Diagrama en bloques de un circuito de disparo elemental.
+Vcc
-
I
v1
+
v sinc
Tr1
C1
+Vcc
R0
-VB
-
II
+Vcc
a)
+
III
v2
+
Multivibrador
monoestable
+Vcc
-
v3
v6
Pulso de
disparo
vC
vsinc:kvs
α
ωt
0
α=0º
v1
ωt
0
v2
0
Vm
vC
ωt
b)
v3
0
v6
ωt
ωt
∆
Fig. 8.3.: Circuito de disparo con amplificadores operacionales: a) circuito; b) formas de
onda.
0
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 91
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
8.2) CIRCUITOS DE DISPARO CON
TRANSISTORES MONOJUNTURA.
E
B2
B1
C
vC
τ2
vP
t
R2
R
τ1
vC
+Vcc
R1
vG
VBB
vG
Τ1
t
Τ2
Fig. 8.4.: Oscilador de relajación con transistor monojuntura.
D1
R3
Carga
R
Tr1
+
VZ
C
vS
a)
R2
vS
vG
vS
vZ
vp=ηV BB
b)
vG
α
Fig. 8.5.: Circuito de control con transistor monojuntura.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 92
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
8.3) CIRCUITOS DE DISPARO AISLADOS
PARA SCR.
A
D1
15 V
G
D2
K
RG
TG
Señal
de
pulso
Fig. 8.6.: Uso de transformador de pulso para aislar SCR.
1
2
3
4
Línea
Fuente de poder
para el circuito de
disparo del Gate
Detección de
cruce por cero
Trafos de
pulsos
vcontrol
Retardo
del
ángulo
Amplificador
de pulsos
Tierra del
control
Fig. 8.7.: Diagrama general del circuito de disparo para un rectificador monofásico.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 93
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
8.4) CIRCUITOS DE DISPARO INTEGRADOS
PARA TIRISTORES.
-
Detector de
cruce por
cero
Sincronización5
Usyn
Registro de
sincronismo
+
Fuente
Us +
C 10 monitor de
descarga
-
16
≈ 3 .1 Vac
+
14
Q1
15
Q2
4
Q1
+
R4
Lógica
2
Iconst
-
Q2
+
R2
Control del
comparador
+
3 QU
+
7 QZ
Transistor de
descarga
Tierra 1
8
9
U ref
10
a)
R3
R7
+
11
6
13
U 11
S6
S13
12
U 10
C8
Resistencia de la
rampa
Condensador de la
rampa
R9
[R R]
C10
[C R ]
C12 [C i]
Selección del largo del
pulso para Q1 y Q 2
Selección del largo del
pulso para Q y Q
1
2
Inhibidor del pulso
Voltaje de control
b)
Fig. 8.8.: Circuito de disparo integrado TCA 785: a) diagrama de bloques; b) formas de
onda.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 94
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
Fig. 8.9.: Control de un tiristor en el circuito TCA 785.
Fig. 8.10.: Circuito de control de fase de un convertidor AC-AC monofásico.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 95
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
Fig. 8.11.: Circuito de disparo para un rectificador trifásico semicontrolado.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 96
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
Fig. 8.12.: Circuito de disparo con doble pulso para un rectificador trifásico puente
totalmente controlado.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 97
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
8.5) CIRCUITOS DE DISPARO PARA
TRANSISTORES DE POTENCIA.
V GG
+
Del circuito
de control
Comparador
G
E
V GG
IC
Del circuito
de control
RG
DS0026
o
UC1706/07
Fig. 8.13.: Amplificación de la corriente por el gate.
+15 V
3 kΩ
RG
µF
Del circuito
de control
100pF
Optoacoplador
(HPL-4503)
IXLD4425
Fig. 8.14.: Circuito de disparo con aislación galvánica mediante acoplador óptico.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 98
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
Aislación
auxiliar de poder
para circuitos de
control base
Diodos
antisaturación y/o
conexiones de
protección de
sobrecorriente
Vcc
vS
+
+
-
-
Vd
Lógica y
electrónica
de control
Circuito
Aislación
de control
de señal
base
T+
Df+
Circuito
Aislación
de control
de señal
base
T-
Df-
Entradas
de control
Tierra de
seguridad
Fig. 8.15.: Sobre la necesidad de la aislación de los pulsos de disparo.
Módulo
iL
+
L
300 V
vL
Circuito de
disparo
R
Fig.8.16.: Chopper de un cuadrante.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 99
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
Fig.8.17: Encendido del transistor; a) VGE: 5V/div; b) VCE: 50V/div, tiempo: 500ns/div.
Fig.8.18: Corte del transistor, VCE: 50V/div, tiempo: 100ns/div.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 100
CAPÍTULO 8
CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES
Fig.8.19: Operación a 100 kHz, VCE: 50 V/div, IC: 10 A/div, Tiempo: 2 µs/div.
Fig.8.20: Operación a 100 kHz, IC: 10 A/div, Tiempo: 2 µs/div.
Fig.8.21: Cortocircuito en la carga, IC: 20 A/div, Tiempo: 2 µs/div.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 101
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE
CONVERTIDORES ESTÁTICOS
9.1) CONTROL DE RECTIFICADORES.Controlador
Corriente
Controlador
Velocidad
nRef
iARef
n
Sincronismo
α
iA
iA
M,G
G
Fig. 9.1.: Esquema de control básico de un motor de corriente continua
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 102
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
ia
vc
iaRef
nRef
n
α
Carga
n
ia
Fig. 9.2.: Control de una máquina de corriente continua alimentada por un rectificador
puente.
nref
n=0
n
t
iref
ia
t
Fig. 9.3.: Comportamiento de las variables en el sistema de la figura 9.2.
G1
i''S
vS
Rb
R1
vi
R2
G1
i''S
C
vS
R1
Rb
R2
C
vi
i'S
Red
i'S
Red
Fig. 9.4.: Transductores de corriente alterna para medir la corriente de salida del
rectificador.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 103
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
ωref
icirc
iaref
id1
id1
ω
-1
id2
icirc
id2
MG
ia
G
Fig. 9.5.: Control de velocidad en 4 cuadrantes con un convertidor dual con corriente
circulante.
ω
ωref
ω
t
ia
ia
t
id1
id2
icirculante
icirculante
t
t
Fig. 9.6.: Inversión de marcha del motor de la figura 9.5.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 104
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
L1 L2 L3
Circuito de
comando
iref
nref
n
i
ia
n
&≥1
vd
ia
M.G
G
Fig. 9.7.: Control en 4 cuadrantes con un conversor dual sin corriente circulante.
Fig. 9.8.: Comportamiento temporal de variables de la figura 9.7 en una inversión de giro.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 105
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
L1
L2
Medición
de ia
L3
Conmut.
ia
n ref
iref
n
i
n
& ≥1
Comando
ia
ia
M.G
UB
G
Fig. 9.9.: Accionamiento de 4 cuadrantes con inversión del rotor.
L1
L2
Medición
de ia
L3
L1
L2
Conmut.
ia
nref
iref
n
i
n
& ≥1
Comando
M.G
UB
G
Fig. 9.10.: Accionamiento de 4 cuadrantes con inversión del campo.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 106
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
KR1
TR1
nW
KR2
TR2
iW
Kt
Tt
UR
Ud
eM
Kd
Td
TM
mL
id
nM
Control de corriente
Control de velocidad
Tt
nW
KR1(1+pT R1 )
iW
KR2(1+pT R2 )
pT R1
UR
pT R2
Kte-pTt
Ud
eM
TM
mL
Kd
id
1
1+pTd
nM
pTM
Control de corriente
Control de velocidad
Fig. 9.11.: Diagramas de bloques de un motor de corriente continua controlado.
9.2) CONTROL DE CHOPPERS.
9.2.1)El control de corriente de dos posiciones
(histéresis).
Comparador
T1
X
iLref
ε
1
+
iL
δ
2
ε
X
X
vL
T1, T4
T2, T3
iL
T2
R
T3
L
V
T4
Fig. 9.12.: Control de corriente de 2 posiciones (Bang-Bang).
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 107
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
Estrategia de control:
Si iLref > iL ⇒ iL debe aumentar
Si ε = iLref - iL > δ/2, x= “1”.
⇒ T1 y T4 conducen y vL = V ⇒ iL aumenta.
Si iLref < iL ⇒ iL debe disminuir
Si ε = iLref - iL < - δ/2, x= “0”.
⇒ T2 y T3 conducen y vL = - V ⇒ iL disminuye.
iL
iLref
iL
δ/2
δ
iLref
iL
t
iL
t
δ
vL
vL
V
V
t
-V
-V
X
1
0
t
X
1
t
0
t
Fig. 9.13.: Formas de onda del control de corriente de 2 posiciones: a) histéresis ancha; b)
histéresis angosta.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 108
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
Comparador
PI Velocidad
ωref
+
ω
T1
X
iaref
1
+
ia
δ
2
X
T2, T3
V
ia
T2
ε
T3
T1, T4
ω
T4
a)
w, w ref
w
0
t
wref
ia, i a ref
ia
0
t
i a ref
b)
Fig. 9.14.: Máquina de C.C. alimentado por un chopper de 4 cuadrantes. Control de
corriente con histéresis: a) diagrama de bloques; b) formas de onda durante inversión de
marcha.
Fig. 9.15.: Motor de C.C alimentado por un chopper de 1 cuadrante. Control de corriente
con histéresis.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 109
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
Fig. 9.16.: Arranque del motor de la figura 9.15.
9.2.2)Modulación del ancho de los pulsos (Pulse
Width Modulation = PWM).
Comparador
vCont
ε
'1'
T1
X
vd
'0'
T3
V
T2, T3
+
vL
T1, T4
iL
T2
R
L
T4
Fig. 9.17.: Chopper con control PWM.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 110
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
Principio de funcionamiento:
Si vcont > vd ⇒ x= “1”.
⇒ T1 y T4 conducen y vL = V.
Si vcont < vd ⇒ x= “0”.
⇒ T2 y T3 conducen y vL = - V.
vd , vcont
Vdm
vd , vcont
vd
V cont 1
V dm
vd
Vcont 2
t
t
X
X
'1'
'1'
'0'
V
t
vL
'0'
V
t
vL
iL
iL
t
-V
-V
a)
b)
Fig. 9.18.: Chopper con control PWM: a) Vcont1 > 0;b) Vcont2 > Vcont1.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 111
t
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
vd , vcont
vd , vcont
vd
V dm
vd
Vdm
0
t
t
Vcont 3
vL
vL
V
Vcont 3
V
i
0
t
t
L
-V
X
'1'
-V
X
'1'
'0'
t
i
L
'0'
t
a)
b)
Fig. 9.19.: Chopper con control PWM: a) Vcont3 < 0; b) Mayor frecuencia de
conmutación.
V dm
Vdm
D=0.75
t
t
VL
400
VL
0
t
t
-400
iL =15[A]
iL
iL
L=0.01[H]
R= 20[Ω]
0
0.5
1
1.5
2
[ms]
t
t
a)
b)
Fig. 9.20.: Respuesta a escalón de referencia del modulador PWM con frecuencia de
conmutación: a) baja; b) más alta.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 112
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
Comparador
PI Velocidad
iaref
ωref
+
+
ω
VCont
ε
+
ω
vL
T3
V
iL
'0'
vd
ia
T1
'1'
ω
T2
T4
Fig. 9.21.: Control de velocidad de un motor C.C alimentado por un chopper con control
PWM.
9.3) CONTROL DE INVERSORES.
9.3.1)Inversor monofásico controlado por histéresis.
Comparador
T1
X
i Lref
ε
1
+
iL
δ
2
vL
T1, T4
X
T2, T3
iL
T2
ε
R
T3
L
V
T4
a)
iL
0
t
i*L
b)
Fig. 9.22.: Inversor monfásico con control por histéresis: a) diagrama funcional; b) formas
de onda.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 113
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
9.3.2)Inversor monofásico con modulación PWM.
Comparador
vCont
ε
'1'
T1
X
T1, T4
vd
'0'
T3
V
T2, T3
+
vL
iL
T2
R
L
T4
Fig. 9.23.: Inversor monofásico con modulación PWM.
vcont
vd
0
(1/fs)
vL
vL1
0
Fig. 9.24.: Formas de onda del inversor monofásico con modulación PWM de la figura
9.23.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 114
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
a)
b)
Fig. 9.25.: Variación de frecuencia con modulación PWM: a) 120 V- 60 Hz; 120 V- 30 Hz.
a)
b)
Fig. 9.26.: Variación de amplitud con modulación PWM: a) 120 V – 60 Hz; 60 V – 60 Hz.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 115
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
a)
b)
c)
Fig. 9.27.: Variación de voltaje y frecuencia en un inversor monofásico con modulación
PWM: a) 60 Hz – 120 V; b) 30 Hz – 60 V; c) 20 Hz – 40 V.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 116
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
9.3.3)Inversor trifásico con control de corriente.
T1
T3
T5
T2
T4
T6
V
ia
N
Xa
δ
ia*
C.D
a
+
Xa
ia
C.D
va
a)
ib
b
vab
ic
c
vbc
vb
vc
n
Nota: Las fases b y c tienen un control similar.
ia*
ia
0
ωt
vab
0
ωt
0
ωt
va
b)
Fig. 9.28.: Inversor trifásico con control de corriente por histéresis: a) circuito; b) formas
de onda.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 117
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
9.3.4)Inversor trifásico con modulación PWM.
v A*
Xa
C.D
+
vd
T3
T5
T2
T4
T6
V
Xa
vB *
T1
C.D
a)
Xb
+
N
vd
vA
vd
v C*
Xc
iA
A
iB
v AB
B
vB
iC
v BC
C
vC
t
+
vd
n
Nota: Las fases b y c tienen un control similar.
b)
Fig. 9.29.: Inversor trifásico con modulación PWM: a) circuito; b) formas de onda.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 118
CAPÍTULO 9
APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS
v A*
0
v B*
v C*
vd
ωt
v AC
0
ωt
vA
0
ωt
iA
0
ωt
Fig. 9.30.: Inversor trifásico con modulación PWM, comportamiento de la corriente de
carga.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Pág. 119