electronica de potencia rashid 3ed cap 12

e A P TUL o 1 2Interruptores estticos

Los objetivos de aprendizaje para este captulo son los siguientes:

Comprender la operacin y las caractersticas de los interruptores estticos y los relevadores micro-electrnicos (MER, de microelectronic relay)

Aprender los diversos tipos de interruptores estticos y MER.

12.1 INTRODUCCiN

Los tiristores que pueden activarse y des activarse en menos de unos pocos microsegundospueden funcionar como interruptores de accin rpida para sustituir los interruptores automti-cos mecnicos y electromecnicos. Para aplicaciones de cd con baja potencia, los transistoresde potencia tambin se pueden usar como interruptores. Los interruptores estticos tienen muchasventajas, como velocidades muy altas de conmutacin, no tienen partes mviles y no hay reboteen el contacto al cerrar.

Adems de las aplicaciones como interruptores estticos, los circuitos de tiristores (o tran-sistores) se pueden disear para dar un retardo, retencin y detecciones de corrientes y voltajesaltos y bajos. Los transductores para detectar seal mecnica, elctrica, de posicin, de proximidad,etc., pueden generar las seales de disparo o de control para los tiristores (o los transistores).

Los interruptores estticos se pueden clasificar en dos: 1) interruptores de ea y 2) interrupto-res de cd. Los interruptores de ea se pueden subdividir en a) monofsicos y b) trifsicos. Para losinterruptores de ea, los tiristores tienen conmutacin de lnea o natural, y la velocidad de conmu-tacin est limitada por la frecuencia de la fuente de ea y el tiempo de desactivacin de los tiris-tores. Los interruptores de cd tienen conmutacin forzada, y la velocidad de conmutacindepende de los tiempos de activacin y des activacin de los dispositivos.

12.2 INTERRUPTORES DE CA MONOFSICOS

En la figura 12.1a se presenta el diagrama elctrico de un interruptor monofsico de onda com-pleta, en el que se conectan los dos tiristores en paralelo inverso. El tiristor T1se dispara cuandolt =\)'j e\ fulstor T2 se Ifu.~ara cuando eot = 'tt.E\ vo\ta)e de sa\ida es igual que e\ o\ta)e de entra-da. Los tiristores funclonan como interruptores, 'j estn conmutados por la lnea. Las formas deonda de los voltajes de entrada y de salida, y de la corriente de salida, se ven en la figura 12.1b.

551

(12.1)

552 Captulo 12 Interruptores estticos

i.

+ + io

Vs VORL

O wt

(a) Circuito

oF-----~r---------J~--wt

o I----I'-------\,------'---r- wt

glI

O I----LL-------f"------'- ....wtg2

I

O~------~------(e) Formas de onda para carga inductiva

FIGURA 12.1

Interruptor de ea monofsica con tiristor.

OF------\------t--- wt"!TI

IIII________ ...1 _

. Ilo I

III

-Vrn

VrnRL01'-------'1,,.------+-- wt

I Pulso de disparo de TIII

Con una carga inductiva, el tiristor TI debera disparar despus del medio ciclo positivodel voltaje de entrada, cuando la corriente pase por cero, y el tiristor T2 debera disparar despusdel medio ciclo negativo del voltaje de entrada, cuando la corriente pase por cero. Los pulsos dedisparo para TI y T2 se ven en la figura 12.1c. En lugar de dos tiristores, se puede usar un TRIAC,como se ve en la figura 12.2.

Si la corriente instantnea de lnea es is(t) = 1m sen wt, la corriente rms de lnea es

o I-L-----...l.-----.....LJ~ wtg2 Pulso de disparo de 1'2

I

o ~(b) Formas de onda para carga resistiva

[2 r ]112

L, = 2'TrJo l;"sen2wtd(wt)

Ya que cada tiristor conduce corriente slo durante medio ciclo, la corriente promedio en cadatiristor es

11"lA = - 1m sen wt d(wt)2'Tr O (12.2)

TR

+ +

v

12.2 Interruptores de ea monofsieos 553

FIGURA 12.2

Interruptor de ea monofsica con TRIAC.

y la corriente raz cuadrtica media (rms) de cada tiristor es

1R = [2~ 1'"I~ sen2 wt d( wt) r12 1; (12.3)El circuito de la figura 12.1a se puede modificar, como se ve en la figura 12.3a, donde los dostiristores tienen un ctodo comn, y las seales de disparo tienen una terminal comn. El tiristorTI y el diodo DI conducen durante el medio ciclo positivo, y el tiristor T2 y el diodo D2 conducendurante el medio ciclo negativo.

Un puente rectificador de diodos y un tiristor TI, tal como se ven en la figura 12.4a, puedenhacer la misma funcin que los de la figura 12.1a. La corriente por la carga es ea, y por el tiristorTI es cd. Un transistor puede sustituir al tiristor TI' A la unidad formada por el transistor (o el ti-ristor, o el tiristor apagado por compuerta [GTO]) y el puente rectificador se le llama interruptorbidireccional.

Puntos clave de la seccin 12.2 Los interruptores se activan cuando el voltaje de entrada cruza por cero. La operacin del circuito es parecida a la del controlador monofsico de voltaje de ea, con

un ngulo de retardo C( = O.

+

(a) Circuito

FIGURA 12.3

Interruptor de ea monofsica con puente de diodos y tiristores.

1

o f------\-----~r_~ wt'TTI

1111111 1

Pulso de disparo d~ TI1,1

1-1------;-1 J....L~wt1

Pulso de disparo de 1'2

o '-- --U'-- ~ wt(b) Formas de onda

554 Captulo 12 Interruptores estticos

7T1

IIII-v ---------+---m I

g1 Pulsos de disparo de TI

O~--------4r--------~~wt+ +

I

o u...... ....... --'--L+- wt(a) Circuito (b) Formas de onda

FIGURA 12.4

Interruptor de ea monofsica con puente rectificador y tiristor.

12.3 INTERRUPTORES DE CA TRIFSICOS

El concepto de conmutacin de ea monofsica se puede ampliar a las aplicaciones trifsicas. Sepueden conectar tres interruptores monofsicos como el de la figura 12.1a para formar un in-terruptor trifsico, como se ve en la figura 12.5a. Las seales de disparo para los tiristores y lacorriente por TI se muestran en la figura 12.5b. La carga se puede conectar en Y o en delta.

Para reducir la cantidad y los costos de los tiristores, tambin se pueden usar un diodo y untiristor para formar un interruptor trifsico, como se ve en la figura 12.6. En el caso en que se co-necten dos tiristores "espalda con espalda" existe la posibilidad de detener el flujo de corrientecada medio ciclo (por ejemplo 8.33 ms para un suministro de 60 Hz). Sin embargo, con un diodoy un tiristor, el paso de la corriente slo se puede detener cada ciclo del voltaje de entrada, y sevuelve lento el tiempo de reaccin (por ejemplo, 16.67 ms para una fuente de 60 Hz).

Punto clave de la seccin 12.3

La operacin del circuito se parece a la del controlador trifsico de voltaje de ea con unngulo de retardo a = O.

12.4 INTERRUPTORES TRIFSICOS REVERSIBLES

Se puede tener la inversin de la potencia trifsica suministrada a una carga agregando dos inte-rruptores monofsicos ms al interruptor trifsico de la figura 12.5a. Esto se ve en la figura12.7. En la operacin normal, los tiristores T7 a TlO se desactivan con inhibicin (o supresin) depulsos de compuerta y se activan los tiristores TI a T6. La lnea A alimenta a la terminal a, la l-nea B a la terminal b y la lnea e a la terminal c. En la operacin de inversin de fase, los tiristo-res T2, T3, T5 Y T6 se desactivan por inhibicin de pulso de compuerta y los tiristores T7 a TlO sonoperativos. La lnea B alimenta a la terminal c y la lnea e alimenta a la terminal B, siendo estouna inversin de fase del voltaje aplicado a la carga. Para obtener la inversin de fase, todos los

12.4 Interruptores trifsicos reversibles 555

A r---------------~a

B

C b

(a) Circuito

wtg2

O wtg3

O wt~

O wt

gs

O wt

&;

O wti

L-------~~------~--------~--------~wt2'1T

(b) Formas de onda'1T

e

FIGURA 12.5

Interruptor de ea trifsica con tiristor.

556 Captulo 12 Interruptores estticos

DI

Aa

D2

B

FIGURA 12.6 D3e

Interruptor de ea trifsica con diodo y tiristor. e b

A

B

e

a

b

e

FIGURA 12.7

Interruptor reversible de eatrifsica con tiristor.

dispositivos deben ser tiristores. No se puede usar una combinacin de tiristores y diodos, comola de la figura 12.6 porque sucedera un cortocircuito de fase a fase.

Punto clave de la seccin 12.4 Se pueden conectar y disparar cinco pares de tiristores para producir una inversin de

fase en una carga trifsica.

12.5 INTERRUPTORES DE CA PARA TRANSFERENCIA DE CANAL

Se pueden usar los interruptores estticos para transferir canales de distribucin de una fuente aotra. En un sistema prctico de suministro, a veces se requiere cambiar la carga de la fuente normal

12.6 Interruptores de cd 557

+ + +

T~VI

FIGURA 12.8

Interruptor monofsico para transferencia de canal.

b

a

FIGURA 12.9

Interruptor trifsico para transferencia de canal.

a una fuente alternativa, en caso de 1) no disponibilidad de la fuente normal, 2) condiciones debajo voltaje o alto voltaje en la fuente normal. La figura 12.8 muestra un interruptor monofsicode transferencia de canal. Cuando funcionan los tiristores TI y T2, la carga se conecta con lafuente normal, y para transferir a una fuente alternativa, los tiristores T y T son operativos,mientras que TI y T2 se des activan por inhibicin de seal a compuerta. En la figura 12.9 semuestra la ampliacin de la transferencia de canal monofsica a transferencia de canal trifsica.

Punto clave de la seccin 12.5

Dos o ms pares de tiristores se pueden conectar espalda con espalda para transferir cana-les de una fuente a otra. Este tipo de transferencias se usa en caso de pasar la carga a una ovarias fuentes alternativas de suministro.

12.6 INTERRUPTORES DE CD

En el caso de los interruptores de cd, el voltaje de entrada es de cd, y se pueden us