Ac-ac 4l2b1k

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CONTROLADORES DE VOLTAJE CA

Contenido Objetivos Objetivos 1. 1.Introducción Introducción 2. 2. Principio Principiodel delcontrol controlde deencendido encendidoapagado apagado 3. 3.Principio Principiode deControl Control por porángulo ángulode defase fase 4. 4. Controladores Controladoresmonofásicos monofásicos bidireccionales bidireccionales con con carga cargaresistiva resistiva 5. 5. Controladores Controladoresmonofásicos monofásicoscon concarga carga Inductiva Inductiva

Contenido 6. 6. Controladores Controladores Trifásicos Trifásicosde deOnda Onda Completa Completa 7. 7. Controladores ControladoresTrifásicos Trifásicos Bidireccionales Bidireccionales Conectados Conectadosen endelta delta 9. 9. Cicloconvertidores CicloconvertidoresMonofásicos Monofásicos 10.Cicloconvertidores 10.CicloconvertidoresTrifásicos Trifásicos 11.Controladores 11.Controladoresde deVoltaje Voltajede deCA CAcon con Control Control por porPWM PWM

Contenido 12. 12. Convertidor ConvertidorMatricial Matricial 13. 13. Efectos Efectosde delas lasinductancias inductanciasde de alimentación alimentaciónyyde decarga carga 14.SimPowerSystems 14.SimPowerSystemsde deMatlab Matlab yy Simulink Simulink 15.Resumen 15.Resumen

OBJETIVOS OBJETIVOS Los objetivos de aprendizaje de éste tema son los siguientes: • Comprender la operación y las características de los controladores de ca. • Comprender la operación de los convertidores matriciales • Aprender los tipos de controladores de ca • Comprender los parámetros de rendimiento de los controladores de ca. • Aprender las técnicas para el análisis y diseño de controladores de ca • Estudiar los efectos de la inductancia carga sobre la corriente en la carga.

INTRODUCCION INTRODUCCION Si un tiristor conmutador se conecta entre la alimentación de ca y la carga, es posible controlar el flujo de potencia variando el valor rms del voltaje de ca aplicado a la carga; este tipo de circuito de potencia se conoce como un controlador de voltaje ca.

• • • •

Las aplicaciones más comunes de los controladores de voltaje de ca son: Calefacción industrial, Cambio de conexión de transformadores con carga Controles de alumbrado Control de velocidad de motores polifásicos de inducción y control de los electromágnetos de ca.

Para la transferencia de potencia, normalmente se utiliza dos tipos de control: • Control de encendido apagado

• Control por ángulo de fase

En el control de abrir y cerrar, los tiristores conectan la carga a la fuente de ca durante algunos ciclos de voltaje de entrada y lo desconectan durante algunos otros ciclos.

En el control de ángulo de fase, los tiristores conectan la carga con la fuente de ca durante una porción de cada ciclo de voltaje de entrada.

Los controladores de voltaje de ca se pueden clasificar de dos tipos: • controladores monofásico y • controladores trifásicos. Cada uno de estos tipos se pueden subdividir en – unidireccionales o control de media onda y – bidireccional o control de onda completa. Existen varias configuraciones de controladores trifásicos, dependiendo de las conexiones de los tiristores. Para aplicaciones hasta de 400Hz, y para llegar a la especificación de voltaje y de corriente de una aplicación en particular, se utilizaran más comúnmente los TRIAC’s . Dado que la conmutación es por línea o natural. No hay necesidad de circuiteria adicional de conmutación, por los que los circuitos para los controladores de voltaje de ca son muy sencillos.

Dada la naturaleza de las formas de onda de salida, no resulta sencilla la deducción explicita de los parámetros de rendimiento de estos circuitos especialmente en el caso de los convertidores controlados por ángulo de fase con carga RL. Para simplificar, se consideran en este capitulo cargas resistivas, para comparar los rendimientos de varias configuraciones. Sin embargo, las cargas reales son de tipo RL y en el diseño y el análisis de los controladores de voltaje de ca deberá considerarse.

2. 2. Principio Principiodel delcontrol control de deencendido encendidoapagado apagado 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 Fig. 2.1. 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 de to. El tiempo activo, tn, esta formado, por lo común, de un numero entero de ciclos. Los tiristores se activan en los cruces por cero del voltaje de entrada ca. Los pulsos de compuerta para los tiristores T1 y T2 y las formas de onda de los voltajes de entrada y de salida aparecen en la Fig. 2.1. Este tipo de control se usan en aplicaciones que tienen una alta inercia mecánica y una alta constante de tiempo térmica (por ejemplo, en la calefacción industrial y en el control de velocidad de motores). Debido a la conmutación en voltaje y en corriente cero de los tiristores, las armónicas generadas por las acciones de conmutación son reducidas.

Fig 2.1Control de encendido y apagado

Si el voltaje de entrada esta conectado a la carga durante n ciclos, y desconectado durante m ciclos, el voltaje rms de salida (o de la carga ) se puede determinar a partir de: Para una tensión senoidal de entrada vS= vSSent

Vo 



n   2  n  m 

Vo  Vs Donde:

2

 2Vs

2



sen t d   t  

0

n  Vs k nm

2

 (2.1)

n k  nm

y se conoce como el ciclo de trabajo. VS es el voltaje rms de fase. Las configuraciones de los circuitos para el control de abrir y cerrar son similares a los del control de fase y los análisis de rendimiento son también similares. Por esta razones, en este capitulo solo se analizan las técnicas de control de fase.

Nota: (1).- El factor de potencia de la tensión de salida varia proporcionalmente a la raíz cuadrada del ciclo de trabajo. (2).- Si t es periodo de la tensión de entrada (m+n)T es el periodo del control de abierto-cerrado. (m+n)T debe ser menor que la constante mecánica o del tiempo térmico dela carga, y virtualmente es menor que 1 segundo, pero no en horas o en días. La suma de m y n es por lo general cercana a 100. (3).- Si se usa la ecuación (11-2) para determinar el factor de potencia con m y n en días, el resultado será erróneo; Por ejemplo, si m=3 días y n=3 días la ecuación (11-2) da : 

3  FP      3  3 

1

2

 0.707

lo cual no resulta físicamente posible. Dado que el controlador esta cerrado durante 3 días y abierto durante 3 días, el factor de potencia de penderá del ángulo de la impedancia de la carga .

3. 3.Principio Principiode deControl Controlpor porángulo ángulo de de fase fase El principio de control de fase se puede explicar haciendo referencia a la figura El flujo de potencia hacia la carga queda controlado retrazando el ángulo de disparo del tiristor T1.

Control de ángulo monofásico.

La figura ilustra los pulsos de compuerta del tiristor T1 y las formas de onda de los voltajes de entrada y de salida. Debido a la presencia del diodo D1, el rango de control esta limitado y el voltaje rms efectivo de salida solo 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 solo para cargas resistivas de poca potencia , como son la calefacción y la iluminación. Dado que el flujo de potencia esta controlado durante el semiciclo del voltaje de entrada, este tipo de controlador también

4. 4. Controladores Controladores monofásicos monofásicos bidireccionales bidireccionalescon con carga carga resistiva resistiva

El problema de la corriente ca en la entrada se puede evitar usando control bidireccional (o de onda completa) y en la figura que sigue se muestra un controlador monofásico de onda completa con carga resistiva. Durante el medio ciclo positivo del voltaje de entrada, se controla el flujo de la potencia haciendo variar el ángulo de retardo del tiristor T1 , y el tiristor T2 controla el flujo de potencia durante el medio ciclo negativo del voltaje de entrada. Los pulsos de disparo de T1 y T2 se mantienen a 180º de distancia . Las formas de onda, voltaje de salida y señales de disparo para T1 y T2 se ven en la Fig. 4.1

Fig. 4.1 Controlador monofásico de onda completa

Si vs  2Vs sen(wt ) es el voltaje de entrada, y si los ángulos de retardo e los tiristores T1 y T2 son iguales ( 2    1 ) el voltaje rms de salida se calcula como sigue:

 2 V0    2  4V V0    4

2 s













 2V sen ( t )d ( t )  2 s

2

  1  cos 2 t  d ( t ) 

 1 sen2  V0  VS          2    

1/ 2

1/ 2

1/ 2

Los circuitos de disparo para los tiristores T1 y T2 de la figura anterior se debe aislar. Es posible tener un cátodo común para T1 y T2 agregando dos diodos, como se ve en la figura que sigue. El tiristor T1 y el diodo D1 conducen al mismo tiempo durante el medio ciclo positivo, y el tiristor T2 y el diodo D2 conducen durante el medio ciclo negativo. Ya que éste circuito puede tener una terminal común para señales de disparo de T1 y T2 , sólo se requiere un circuito de aislamiento, pero a expensas de dos diodos de potencia. Como hay dos dispositivos de potencia que conducen al mismo tiempo, las pérdidas por conducción de ellos aumentarían, y se reduciría la eficiencia. También se puede implementar un controlador monofásico de onda completa con un tiristor y cuatro diodos, como se verá en la Fig. 4.2. Los cuatro diodos funcionan como un puente rectificador. El voltaje a través del tiristor T1 , y la corriente que pasa por él, siempre son unidireccionales.

Con una carga resistiva, la corriente en el tiristor bajaría a cero por conmutación natural en cada medio ciclo. Como se ve en la Fig. 4.2. Sin embargo, si hay una inductancia grande en el circuito, puede ser que el tiristor T1 no se desactive cada medio ciclo del voltaje de entrada, resultando entonces una pérdida de control. . Se requeriría detectar el cruce de la corriente en la carga por cero, para garantizar la desactivación del tiristor que conduce antes de disparar el siguiente. Tres dispositivos de potencia conducen al mismo tiempo y la eficiencia también se reduce. El puente rectificador y el tiristor ( o el transistor) funcionan como interruptor unidireccional que se consigue en el comercio con un solo dispositivo con pérdida por conducción en estado activo relativamente bajo. Luego la secuencia de disparo es la siguiente: •Generar una señal de pulso en el cruce del voltaje positivo de alimentación vs con cero. •Retardar el pulso el ángulo α para disparar a T1 a través de un circuito de aislamiento de compuerta. •Generar otro pulso con ángulo de retraso α+π para disparar T2.

Fig. 4.1 Controlador monofásico de onda completa con cátodo común

Fig.4.2 Controlador monofásico de onda completa con un tiristor

5. 5. Controladores Controladoresmonofásicos monofásicoscon concarga carga Inductiva Inductiva En la práctica, la mayor parte de las cargas son inductivas hasta cierto grado. En la figura 5.1 se ve un controlador de onda completa con una carga R-L y las formas de onda de la corriente del tiristor, pulsos de disparo y voltaje de entrada. Supongamos que el tiristor T 1 dispara durante medio ciclo positivo y conduce la corriente de la carga. Debido a la inductancia en el circuito, la corriente del tiristor no baja a cero cuando t=, que es cuando el voltaje de entrada comienza a ser negativo. El tiristor T1 continúa conduciendo hasta que su corriente i1 baja a cero cuando t =. El ángulo de conducción del tiristor T1 es  =  -  y depende del ángulo de retraso  y del ángulo  del factor de potencia de la carga.

Fig. 5.1 Controlador monofásico de onda completa con carga R-L

Si vs  2Vs sen(wt ) es el voltaje de entrada y el ángulo de retardo del tiristor T1, es , se puede determinar la corriente i1 con:

di1  Ri1  2Vs sen( t ) dt V sen( t   ) i1  2 s  A1e  ( R / L ) t Z L

Donde la impedancia de carga es

Z  R 2  ( L) 2

y el ángulo de carga es

  tan 1 ( L / R)

La constante A1 se puede determinar con la condición inicial: cuando t =  y i1  0 se tiene A1 , que reemplazada en i1 da como resultado:

Vs i1  2  sen( t   )  sen(   )e  ( R / L )( /  )  Z El ángulo , cuando la corriente i1 baja a cero y el tiristor T1 se

desactiva, se puede determinar con la condición i1 ( t   )  0 en la ecuación anterior y se define:

sen(    )  sen(   )e( R / L )(   ) / EL ángulo , que también se llama ángulo de extinción, se puede determinar con ésta ecuación trascendental y se requiere un método iterativo para su resolución. Una vez conocido , se puede determinar el ángulo de conducción δ del tiristor T1 con:    

El voltaje rms de salida es:



Vo   

2 2



 4Vs 2 ....    4

 2Vs 2 sen 2 td ( t ) 











1/ 2

 (1  cos 2 t ) d ( t ) 

1/ 2

 1 sen2 sen2            2 2    

....  Vs 

1/ 2

La corriente del tiristor se puede determinar como sigue: 

IR   

1 2

V ....  s Z







 i12 d ( t ) 

1/ 2

2  1   ( R / L )( /   t ) sen (  t   )  sen (    ) e d (  t )      

1/ 2

Y a continuación se, determina la corriente rms de salida, combinando la corriente rms de cada tiristor:

I0   I R2  I R2 

1/ 2

 2I R

También se puede calcular el valor promedio de la corriente en el tiristor con la ecuación: 1 IA  2 .... 





i d ( t )

 1

2Vs 2 Z







 sen( t   )  sen(   )e ( R / L )( / t  ) d ( t )

Las señales de disparo de los tiristores pueden ser pulsos cortos para un controlador con cargas resistivas. Sin embargo, esos pulsos cortos no son adecuados para cargas inductivas. Ésto se puede explicar viendo la figura 5.1. Cuando el tiristor T2 dispara en t=+ , el tiristor T1 todavía está conduciendo debido a la inductancia de la carga. Para cuando la corriente del tiristor T1 llegue a cero y T1 se desactiva cuando t == + δ, el pulso de disparo del tiristor T2 ya cesó y en consecuencia T2 no puede activarse. El resultado es que sólo funciona el tiristor T1 y causa ondas asimétricas de onda de voltaje y la corriente de salida. Esta dificultad se puede resolver usando señales continuas de disparo, con una duración de ( - ), como se ve en la figura 5.1.c. Tan pronto como la corriente de T 1 baja a cero, el tiristor T2 (con los pulsos de compuerta como se ven enla figura 11.5.c) se activaría. Sin embargo un pulso continuo de compuerta aumenta la pérdida de los tiristores por conmutación, y requiere un transformador de aislamiento más grande para el circuito de disparo. En la práctica se suele usar un tren de pulsos de corta duración como el de la figura 5.1.d, para superar esos problemas.

Notas adicionales: 1. Si    de acuerdo con la ecuación

sen(    )  sen(    )  0 y

     

(2.2) • Como el ángulo de conducción δ no puede ser mayor que  y la corriente de carga debe pasar por cero, el ángulo de retardo es:    3. Si y los pulsos de disparo de los tiristores tiene larga   duración, la corriente no cambiaría con , pero los dos tiristores conducirían en . El tiristor T1 se activaría cuando t = θ y el tiristor se activaría cuando t = +θ

Si vs  2Vs sen(wt ) es el voltaje de entrada y el ángulo de retardo del tiristor T1, es , se puede determinar la corriente i1 con:

di1  Ri1  2Vs sen( t ) dt V sen( t   ) i1  2 s  A1e  ( R / L ) t Z L

Donde la impedancia de carga es

Z  R 2  ( L) 2

y el ángulo de carga es

  tan 1 ( L / R)

La constante A1 se puede determinar con la condición inicial: cuando t =  y i1  0 se tiene A1 , que reemplazada en i1 da como resultado:

Vs i1  2  sen( t   )  sen(   )e  ( R / L )( /  )  Z El ángulo , cuando la corriente i1 baja a cero y el tiristor T1 se

desactiva, se puede determinar con la condición i1 ( t   )  0 en la ecuación anterior y se define:

Secuencia de disparo: 1. Generar un tren de pulsos de señal en el cruce del voltaje de alimentación positivo con cero. 2. Retardar éste pulso el ángulo  deseado para disparar T1 a través de un circuito aislador de compuerta. 3. Generar otro pulso continuo del ángulo de retardo + para disparar.

6. 6. Controladores ControladoresTrifásicos Trifásicosde deOnda Onda Completa Completa Los controladores unidireccionales, que contienen corriente de entrada y mayor contenido de armónicas por la naturaleza asimétrica de la forma de onda del voltaje de salida, en el caso normal no se usan los excitadores de motores de ca; lo que se suele usar es un control trifásico bidireccional. El diagrama de circuito de un controlador trifásico de onda completa (o bidireccional) se ve en la figura que sigue con una carga resistiva conectada en Y. La secuencia de disparo de los tiristores es T1, T2, T3, T4 ,T5, T6. Si se definen los voltajes instantáneos de fase en la entrada como:

v AN  2VS sen t 2  vBN  2VS sen   t   3  4  vCN  2VS sen   t   3 

Los voltajes instantáneos de línea en la entrada son:

  v AB  6VS sen   t   6 

  vBC  6VS sen   t   2  7  vCA  6VS sen   t   6 

Diagrama de circuito para el Controlador trifásico bidireccional conectado en estrella

Formas de onda para el Controlador trifásico bidireccional

Las formas de onda de los voltajes de entrada, los ángulos de conducción de los tiristores y los voltajes de salida se ven en la figura subsiguiente para α=60° y α=120°, 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 entre dos y tres tiristores que conducen. Para 60o    90o , sólo hay dos tiristores que conducen en cualquier momento. Para 90o    150o, aunque dos tiristores conducen en cualquier momento, hay intervalos en los que no hay tiristores activados. Cuando   150o, no hay algún periodo durante el cual dos tiristores conduzcan y el voltaje de salida se vuelve cero en α=150°. El intervalo del ángulo de retardo es:

0    150o En forma parecida a los controladores de media onda, la ecuación del voltaje rms de fase de salida depende del intervalo de los ángulos de retardo. El voltaje rms de salida, para una carga conectada en Y, se determina:

Para : 0o    60o :  1 Vo    2



2

0

1/ 2

van d ( t ) 

 2  ....  6Vs    2  ................ 



2

 / 2 

 /4



 /3



2 2  / 2  sen  t 2 / 3 sen  t sen 2 t d ( t )   d ( t )   d ( t )   /4  / 3 3 4 3

 

sen  t sen  t d ( t )   d ( t )   2 / 3 4 4   2

2



 1    sen 2      8     6 4 Para : 60o    90o :

1/ 2

1/ 2

Vo  Vs 

 2  Vo  6Vs   2   



5 / 6  / 3

 / 2  / 3

2 5 / 6  / 3 sen  t   sen 2 t d ( t )   d ( t )   / 2  / 3 4 4  

 1   3sen 2 3 cos 2 ....  6Vs       12 | 1 6 1 6   

1/ 2







1/ 2

Los dispositivos de potencia de un controlador trifásico bidireccional se pueden conectar entre sí como muestra la figura que sigue. A éste arreglo también se le llama control por unión o control de amarre, y permite armar todos los tiristores en forma de una unidad. Sin embargo este arreglo no es posible en los controles de motor, porque en el caso normal las terminales de los devanados del motor no están accesibles.

i1

Secuencia de disparo. Es la siguiente: 1. Generar una señal de pulso en el cruce del voltaje de fase de la fuente v positivo, con cero. an 2. Retardar el pulso los ángulos  ,  2 / 3, .. y..  4 / 3 para disparar T1, T3, y T5 a través de circuitos aisladores de compuerta. 3. De igual manera generar los pulsos con ángulos de retardo

   ,5 / 3   , .. y..7 / 3  

para disparar T2, T4, y T6 .

7. 7. Controladores ControladoresTrifásicos TrifásicosBidireccionales Bidireccionales Conectados Conectados en endelta delta Si están accesibles los terminales de un sistema trifásico, los elementos de control (o dispositivos de potencia) y la carga se pueden conectar en delta, como se ve en la figura que sigue. Como la corriente de fase en un sistema trifásico normal es sólo 1 3 de la corriente de la línea, las especificaciones de potencia para los tiristores serían menores que si los tiristores (o elementos de control ) se conectaran en la línea. Supongamos que los voltajes instantáneos de línea a línea son: v AB  2VS sen   t  2  vBC  2VS sen   t   3 

4  vBC  2VS sen   t   3 

Los voltajes de línea de entrada, las corrientes de fase y de línea y las señales de disparo de un tiristor para  =120° se ven en la figura

Diagrama de circuito para el Controlador trifásico bidireccional conectado en estrella Formas de onda

Para cargas resistivas, el voltaje rms de fase de salida se puede determinar así:  1 V0    2



2





vab 2 d ( t ) 

1/ 2

2    2

 1  sen 2  ....  VS        2     







 2Vs2 Sen 2 td ( t ) 

1/ 2

1/ 2

El voltaje máximo de salida se obtendrá cuando   0 , y el intervalo de control del ángulo de retardo es: 0  

Debido a la discontinuidad de las corrientes para determinar el valor rms de la corriente de fase se necesita el análisis de Fourier. En éste caso, Iab se puede determinar:

I ab   I12  I 3 2  I 5 2  I 7 2  ...  I n 2 

1/ 2

A causa de la conexión en delta, las componentes armónicas triples (es decir, aquellas de orden n=3m m es un entero impar) de las corrientes de fase fluirían alrededor de la delta y no aparecerían en la línea. Esto se debe a que las armónicas de secuencia cero están en fase con las tres fases de la carga. Un resultado de esto es que la corriente de línea que resulta es menor que que debería resultar de un sistema trifásico. I a  3I ab Una forma alternativa de conectar a los tiristores, cuyo control es má simple, es el controlador conectado al punto neutral.

9. 9. Cicloconvertidores CicloconvertidoresMonofásicos Monofásicos Los controladores de ca vistos hasta ahora proporcionan control sobre el voltaje de salida, pero la frecuancia se mantiene constante, y el contenido de armónicas es alto. Un cicloconvertidor es un cambiador directo de frecuencias quie convierte corriente alterna de una frecuancia a otra frecuencia, sin necesidad de dos etapas ca-cd variable y cd-ca variable. La mayor parte de los cicloconvertidores son de conmutación natural y la frecuancia de salida es una fracción de la frecuencia de la fuente. Las aplicaciones principales están en los excitadores motores de ca de baja velocidad hasta 15,000kW, de 0 a 20 Hz. Las recientes mejoras tecnológicas han permitido reemplazar éstos sistemas por excitadores de motor alimentados por inversor. Por otro lado, los cambiadores directos de frecuencia por conmutación forzada (FCDFC, force-commutated direct-frequency changer) son una mejora a los cicloconvertidores.

CICLOCONVERTIDORES MONOFASICOS Un cicloconvertidor es en realidad dos convertidores monofásicos controlados conectados de manera que si uno actúa solo, el voltaje de entrada es positivo o negativo. Los ángulos de retardo son tales que el voltaje de salida de uno es igual y opuesto al del otro. Así para que ésto se cumpla, los ángulos respectivos guardan la sigueinte relación: n    p El voltaje promedio de salida del convertidor positivo es igual y opuesto al del convertidor negativo. Así: Vcd 2  Vcd 1

Debido a que en algún momento los valores instantáneos de los voltajes son diferentes, puede existir una corriente circulante. Para eliminar eso, se suele suprimir los pulsos a las compuertas del convertidor que no entrega corriente a la carga. Se coloca también un reactor de intergrupo que mantiene un paso continuo de corriente y también limita la corriente circulante.

Diagrama de circuito para el Cicloconvertidor monofásico Formas de onda

Cicloconvertidor con reactor de intergrupo

10.Cicloconvertidores 10.CicloconvertidoresTrifásicos Trifásicos Este tipo de convertidores tiene un funcionamiento similar al de los convertidores monofásicos. Debe notarse que tanto el cicloconvertidor trifásico como monofásico producen salidas monofásicas. Para tener una salida trifásica se deben agrupan varios de éstos, como se ve en las figuras.

cicloconvertidor trifásico/monofásico Formas de onda

Cicloconvertidor trifásico/trifásico. Cada P o N representa a un convertidor monofásico

11.Controladores 11.Controladoresde deVoltaje Voltajede deCA CAcon con Control Controlpor porPWM PWM Se puede mejorar el rendimiento de los controladores de voltaje de ca mediante control por PWM. Así se logra un mejor FP en la entrada. Los interruptores S’1 y S’2 proporcionan las trayectorias de corrida libre para la corriente de carga . Los diodos evitan que aparezcan voltaje inversos a través de los interruptores.

Para una carga resistiva, la corriente en la carga se parece al voltaje de salida. Con una carga RL, la corriente en la carga aumenta en dirección positiva y negativa, cuando se activa el interruptor S 1 o S2. La corriente que se muestra es una corriente en una carga RL.

12. 12. Convertidor Convertidor Matricial Matricial El convertidor matricial es un convertidor de una etapa. Usa interruptores bidireccionales controlados totalmente para la conversión directa de ca a ca. Es una alternativa al rectificadorinversor por puente de voltaje por PWM bilateral. Requiere 9 interruptores para conversión de trifásica a trifásica. El término matricial de debe a que usa exactamente un convertidor para cada una de las conexioones posibles entre la entrada y salida. A la vez sólo deben conducir tres interruptores, para evitar un cortocircuito entre las líneas de alimentación. Con un determinado conjunto de voltajes trifásicos en la entrada, se puede sintetizar cualquier conjunto de voltajes trifásicos de salida que se desee adoptando una estrategia adecuada de conmutación.

Ventajas y desventajas de un convertidor matricial Ventajas: •Flujo bidireccional inherente de potencia. •Formas sinusoidales de la onda de entrada y de salida con frecuencias de conmutación moderada. •Posibilidad de que el diseño sea compacto. •FP de entrada controlable, independiente de la corriente de salida a la carga. Desventajas: •Falta de disponibilidad de interruptores monolíticos totalmente controlados, bilaterales capaces de operación en alta frecuencia. •Implementación compleja de la ley de control. •Limitación intrínseca de la razón de voltajes de salida a entrada •Conmutación y protección de los interruptores.

13. 13. Efectos Efectosde delas lasinductancias inductanciasde de alimentación alimentaciónyyde decarga carga Para los análisis anteriores, se supuso que la fuente no tiene inductancia. El efecto de cualquier inductancia en la alimentación sería retardar la activación de los tiristores. No se desactivarían en el cruce de voltaje por cero y siendo así, no serían adecuados pulsos de compuerta de corta duración. También aumentaría el contenido de armónicas en el voltaje de salida. Algo que debe notarse es que aunque el voltaje de salida es una forma de onda pulsante, la inductancia de la carga trata de mantener un flujo continuo de corriente, como se ve en la figura.

SimPowerSystems SimPowerSystemsde deMatlab Matlab yy Simulink Simulink El Matlab tiene implementado un Blockset, llamado SimPowerSystems. El Blockset utiliza el Simulink para sus objetivos. Aquí podemos encontrar implementados pequeños ejemplos de estudio para analizar aplicaciones directas de electrónica de potencia tanto para el control de la potencia activa y reactiva tanto los sistemas de potencia como control de motores con PWM y otras aplicaciones más. En la sesiones 4 y 5 del Tutorial de SimPowerSystems, están las aplicaciones relacionadas a la electrónica de potencia. Entre los ejemplos mostrados tenemos: •One phase TCR/TSC Static Var Compensator •PWM Control of an Induction Motor

Dentro de la sección Casos de Estudio (Case Studies) encontramos las siguientes aplicaciones: •Chopper-Fed DC Motor Drives •Variable Frequency Induction Motor Drive Aún más, siendo la parte del control importante en electrónica de potencia, el uso del simulink es primordial, en la sección Demo de simulink encontramos simuladas, las siguientes experiencias: •AC Motor Drive - Vector Control (Discrete) •Chopper-fed DC Motor Drive (Continuous) •DC/DC and DC/AC PWM Converters (Discrete) •Single-phase Rectifiers (Discrete) •Three-phase Two-level PWM Converters (Discrete) •Thyristor Converter •Universal Bridge in DC-AC PWM Converter (Discrete) •Wind-turbine asynchronous generator in isolated network

Utilizar el simulink es sencillo: para comenzar sólo se tiene que utilizar los demos, en donde para ver los resultados de salida por ejemplo formas de onda, sólo tenemos que hacer click en la Barra de Menús en el bloque Simulation , dar un click en Start , y comenzar a simular, algo que demorará muy poco tiempo y donde podemos ver directamente las formas de onda vistas en clase. Aquí podemos entrar a las cajas de diálogo y cambiar los valores de los parámetros para ver cómo cambian las formas de onda de un rectificador trifásico por ejemplo, o un cicloconvertidor. Ya que el simulink es muy interactivo, fácilmente nos podemos dar cuenta lo que tenemos que hacer para explorar más, además la ayuda del Matlab es la que mejor explica cómo debe uno desenvolverse en el simulink. De todas maneras si tenemos problemas con el inglés, en internet hay manuales disponibles en nuestro idioma.

A manera de ilustración se presenta uno de los demos mencionados. Thyristor Converter: Éste ejemplo es un motor DC representado por una carga R-L, el cual es alimentado por una fuente trifásica a través de un puente de tiristores de 6 pulsos. Un generador de pulsos sincronizado con la fuente de tensión es el circuito de disparo para los seis tiristores. Si queremos saber más acerca de cada parte del circuito, lo que tenemos que hacer es hacer click en la palabra Help , de las cajas de diálogo, por ejemplo, si hacemos esto en la cada de diálogo del generador de seis pulsos (Synchronized Six Pulse Generator), obtendremos lo siguiente:

Ayuda del Matlab

Se muestra una pequeña explicación del principio de funcionamiento

Presenta un esquema de cómo está implementado el circuito

Muestra también las formas de onda de salida del bloque.

Diagrama de bloques en simulink, para el sistema descrito.

Formas de onda de salida para el ejemplo.

15.Resumen 15.Resumen •El controlador de voltaje de ca puede usar control encendido apagado o control por ángulo de fase. El control encendido apagado es más adecuado para sistemas con una constante de tiempo con una constante de tiempo grande. •Debido al componente de cd en la salida de los controladores unidireccionales, lo que se usa normalmente en las aplicaiones industriales es controladores bidireccionales. •Debido a las características de los tiristores, una carga inductiva hace que sean más complejas las soluciones de las ecuaciones que describen el rendimiento de los controladores, y conviene más adoptar un método iterativo de solución. •El FP de entrada de los controladores que varía en función del ángulo de retardo, en general es malo, en especial en el intervalo de los bajos voltajes de salida.

•Los controladores de voltaje de ca se pueden usar como cambiadores estáticos de conexiones de transformador. •Los controladores de voltaje proporcionana un voltaje de salida con frecuencia fija. Dos rectificadores controlados por fase conectados como convertidores duales, pueden funcionar como cambiadores directos de frecuencia, y se llaman cicloconvertidores. •Con el desarrollo de los dispositivos de potencia de conmutación rápida, es posible que los cicloconvertidores tengan conmutación forzada; sin embargo, se requiere sintetizar las funciones de conutación para los dispositivos de potencia.