electrónica industrial josé rodríguez

José Rodríguez

Julio de 2000.

Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica

Valparaíso-Chile

ELECTRÓNICA

INDUSTRIAL

José Rodríguez

Julio de 2000.

Introducción.

i

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.

ii

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

iii

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

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

Pág.1 ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

http

Procesador de

potencia

Red

~ Potencia de

entrada

Potencia

de salida

vi

Carga

i v0 i

i 0

Mediciones s de

rol Mediciones

Referencia

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1) ESQUEMA DE ACCIÓN DE LA

ELECTRÓNICA DE POTENCIA.

Señale

cont

Controlador

Referencia

Fig.1.1.: Diagrama de bloques de un sistema convertidor de potencia.



http

~

M

~ ~

1.2) FAMILIA DE CONVERTIDORES

ESTÁTICOS.

1.2.1) Clasificación según la forma de la energía.

~ Fuente

C.A.

RECTIFICADOR

Flujo de Energía

M

Carga

C.C.

INVERSOR

Fuente

C.C.

Flujo de Energía

Carga

C.A.

PULSADOR

(Chopper)

Vcc=Cte

Fuente

C.C.

Flujo de Energía

Carga

C.C.

Vcc

V = Cte

f = Cte

Fuente

C.A.

CICLOCONVERSOR

Flujo de Energía

V f

Carga

C.A.

Fig.1.2.: Diferentes familias de convertidores de potencia.



http

C

V = Cte Rectificador Inversor f = Cte

~ I

V f

~

i Conducción

(ON)

Bloqueo (OFF)

i Conducción

(ON)

Bloqueo (OFF)

i

1.2.2) Convertidores mixtos.

{ Convertidor de frecuencia: fuente de tensión.

V = Cte

f = Cte

~ Fuente

C.A.

Rectificador

Inversor

V

P

V f

~ Carga

C.A.

Fig.1.3.: Convertidor de frecuencia mixto con enlace de tensión continua (fuente de

tensión).

{ Convertidor de frecuencia: fuente de corriente.

Fuente

C.A. Carga

P C.A.

Fig.1.4.: Convertidor de frecuencia mixto con enlace de corriente continua (fuente de

corriente).

1.3) EL INTERRUPTOR SEMICONDUCTOR.

v v v

a) b) c)

Fig.1.5.: Interruptor semiconductor. a) Símbolo; b) característica ideal; c)

característica real.



http

0

V0(t)

V d

V0

ton

toff

T s 1 s f

1.4) CARACTERISTICAS DEL INTERRUPTOR

SEMICONDUCTOR IDEAL.

{ Puede bloquear voltajes de cualquier polaridad.

{ Conduce corrientes en ambas direcciones sin caída de voltaje.

{ Puede pasar a corte y conducción instantáneamente obedeciendo a una señal de

control.

{ La señal de control demanda potencia despreciable.

1.5) UN CONVERTIDOR BÁSICO.

a)

t

b)

V (t)

t

c)

Fig.1.6.: Fuente de alimentación: a) circuito de potencia; b) funcionamiento lineal; c)

funcionamiento en conmutación.

V0(t)

Vd

V0



http

Carga

1.6) ALGUNOS CONVERTIDORES TÍPICOS.

R

- + a

n - + b L Vd

- + c

Vc

Fig.1.7.: Rectificador puente trifásico.

VB

Fig.1.8.: Inversor trifásico.

1.7) APLICACIONES.

{ Transporte:

Trenes, funiculares, trolebuses, automóviles, camiones, metros, barcos, ascensores,

...

{ Comercio:

Refrigeración, aire acondicionado, iluminación, computadores, fuentes de

alimentación ininterrumpibles (UPS), escalas mecánicas, ...

{ Energía:

Transmisión de corriente continua, enlaces de frecuencia, control de potencia

reactiva, compensación de armónicas, ...



http

{ Industrias:

Bombas, ventiladores, grúas, palas, refinadoras, molinos, correas transportadoras,

máquinas herramientas, robots, hornos, laseres, bobinadoras, laminadoras,...

{ 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).



http

1.8) NATURALEZA INTERDISCIPLINARIA DE

LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA.

Fig.1.11.: Especialidades que interactúan en la electrónica de potencia.


CAPÍTULO 2 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

http

CAPÍTULO 2

DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

DE POTENCIA

2.1) EL DIODO DE POTENCIA.

A

K

a) b) c) d)

Fig.2.1.: Diodo semiconductor: a) estructura; b) símbolo; c) característica v-i; d)

característica v-i ideal.

+++ P

N

---



http

2.2) EL TIRISTOR.

Silicon Controlled Rectifier (SCR)

c) d)

Fig.2.2.: Tiristor: a) estructura; b) característica v-i; c) símbolo; d) característica v-i ideal.

A

K

Fig.2.3.: Tiristor con corriente en el gate.

+++

P

N

---

+++

P

N

---

A

G

b)

K

a)

i

iG

i

iG1

iG2

iG3

v IH

IL

iG

=

0

v iG1

> iG2

> iG3



http

iG

R

2.2.1)Ejemplo de funcionamiento de un tiristor.

vAK

id

v

S v

d

Fig.2.4.: Funcionamiento de un tiristor.

vd

id



http

i

Conducción

Bloqueo

I

H iG

=

v

i

iG

G

i

Conducción

Corte

2.3) EL TRIAC.

Triode Alternating Current Switch

A1

0

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.



http

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.

a) b)



http

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.

Fig.2.10.: IGBT: a) símbolo; b) circuito equivalente; c) característica v-i; c) característica

v-i ideal.

a) b)

c) d)



http

2.8) COMPARACIÓN DE SEMICONDUCTORES

CON CAPACIDAD DE CORTE.

Elemento Potencia Rapidez de conmutación

MOSFET Baja Alta

BIPOLAR Media Media

IGBT Media Media

GTO Alta 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



http

Fig.2.12.: Diferentes tipos de semiconductores.

Fig.2.13.: Diferentes tipos de semiconductores.



http

IGBT. 1200 [V] / 10 [A]. IGBT. 1200 [V] / 400 [A].

2 IGBT’S 1200[V] / 150 [A]. INVERSOR TRIFÁSICO.

INVERSOR – RECTIFICADOR Y CHOPPER DE FRENADO.

Fig.2.14.: Diversos semiconductores de potencia.


CAPÍTULO 3 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

http

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.



http

VAK

A di V

dt L

IL

IG

iG

+ + +

P

N

- - -

+ + + P

N

- - -

C D1

CR

CD2

VAK

, iA

VAK

iA

t

V L

t

Fig.3.2.: Encendido de un tiristor con carga inductiva.

3.1.2) Encendido falso por efectos capacitivos:

A( + )

( + ) ( A )

A

G G G

K

K( - )

( - )

( K )

Fig.3.3.: Tiristor: a) estructura; b) modelo de capacidades; c) modelo simplificado sin

capacidades de difusión.

iC

CR



http

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.



http

a)

b)

Fig.3.5.: Crecimiento del área de conducción en un tiristor; a) Inyección de portadores a la

región p2 por la corriente de gate; b) crecimiento del área de conducción.



http

3.1.4) Corte del estado de conducción.

t

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.

iA

vAK



http

Off Off

tfv t

rv

On

0

tOn

tOff

T s 1 f

vT

s

iT v d

v I

d

0

t

t tri

td(off)

PT(t)

Vd I0

d(on)

tfi

t (On) c

t

tc(Off)

i 0

3.2) PÉRDIDAS, CALENTAMIENTO Y

REFRIGERACIÓN.

3.2.1) Pérdidas: Pérdidas de conducción:

V 0.7Vc

A K

VAK

a) b)

Fig.3.8.: a) Característica de conducción de un diodo; b) modelo circuital.

Pérdidas de conmutación.

VControl

b) t

i0

Vd

c)

a)

d)

Fig.3.9.: Conmutación de un semiconductor controlado: a) circuito; b) tensión de

control; c) tensión y corriente y d) potencia.

+

iT

VT

R



http

RJC

C

RCD

T J

D

TC

RDA

A TD

TA

3.2.2) Calentamiento y refrigeración:

Fig.3.10.: Flujo de calor en el semiconductor.

Modelo térmico estacionario:

Fig.3.11.: Diodo montado en

un disipador.

J

P

Fig.3.12.: Modelo térmico estacionario.



http

Modelo térmico dinámico:

TJ R

JC T

C R

CD T

D R

DA

P(t)

TA

Fig.3.13.: Modelo térmico dinámico.

P(t)

J

TJ TA I

TJ TA

P R

v

t

th

a) b) c)

Fig.3.14.: a) Modelo dinámico simplificado; b) análogo eléctrico; c) temperatura.

Fig.3.15.: Comportamiento dinámico de la temperatura.

CJ CC CD

iC

C

iR

R C R

A TA



http

Disipadores:

Fig.3.16.: Diversos disipadores para semiconductores de potencia.

Fig.3.17.: Disipador para rectificador puente trifásico.



http

Fig.3.18.: Inversor trifásico montado en un disipador.

Fig.3.19.: Tiristores refrigerados por agua.

CAPÍTULO 4 CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL

ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Pág. 27

vd

Inversor II

Rectificador I

Rectificador III

Inversor IV

CAPÍTULO 4

CONVERTIDORES DE

CONMUTACIÓN NATURAL

(RECTIFICADORES)

4.1) TIPOS BÁSICOS DE RECTIFICADORES.

L id

Fig.4.1.: Cuadrantes de operación de un rectificador.

id

vd

R

C.A



R

d

4.1.1) Rectificador monofásico de media onda.

vAK i

vs vd

v̂ vs

0 t

vAK

Fig.4.2.: Rectificador monofásico no controlado con carga resistiva.

Fig.4.3.: Rectificador monofásico no controlado con carga inductiva.

v̂ vd,id

0 t

vs



Fig.4.4.: Rectificador monofásico no controlado con carga inductiva-activa.



Fig.4.5.: Rectificador monofásico controlado.



v v 1

N2

v2

T2

2

N =

4.1.2) Rectificador estrella monofásico.

T1

v

vd

vT2

· N

i i · N

is = iT1

1

s T2 N1

v̂ vd

0 t

ig1

0 t

ig2

t

iT1

0 t

iT2

0 t

is

Fig.4.6.: Rectificador estrella monofásico con carga resistiva.

is is

is

v

N1

0 t

2

0

iT1

T1

N

iT2

id

R

v

1 v

2



P

D1 D3

+ i s v d

D4 D2

ig1

T T3 1

+ i s v

d

T4 T2

i

Fig.4.7.: Efecto de la constante de tiempo de la carga sobre la corriente.

4.1.3) Rectificador puente monofásico.

id

P d

vs R vs

Carga

N N

a) b)

Fig.4.8.: Rectificador puente monofásico: a) no controlado; b) totalmente controlado.



vd

v̂ 0 t

ig1

,ig2

0 t ig3

,ig4

0 t iT1

,iT2

0 t

iT3 ,iT4

0 t

is

0 t

Fig.4.9.: Formas de onda del rectificador puente monofásico totalmente controlado con

carga resistiva. (Ver Fig.4.8-b).

t

t

t

t

t

t

t

Fig.4.10.: Formas de onda del rectificador puente monofásico totalmente controlado con

carga inductiva (L).

v̂

0

id

0

ig1

,ig2

0

ig3

,ig4

0

iT1

Id

0

iT2

0

is

0



D1

D1

D2

D2

ig1

i s

T1

iT1

T2

iT2

+ v1

v2

v vd

i i

vN

O

vd

P

Ld

+

vd

R

d

R

P i i

d

Ld

v vd v

d

d

N

N

Fig.4.11.: Rectificador puente monofásico semicontrolado: a) simétrico; b) asimétrico.

v̂ v2

2

vPO

1

t

v̂

t ig1

t

ig2

t iT1

t

iT2

t

iD1

t

iD2

t

is

t

Fig.4.12.: Formas de onda del rectificador semicontrolado simétrico de la fig.4.11-a), con

carga Ld.

v



v

v

v

v v

d

I

4.1.4) Rectificador estrella trifásico.

D1

i1

v2 i2

1

v3

i3 L

R d

Fig.4.13.: Rectificador estrella trifásico no controlado.

v

d

V̂

0

V̂

v

1 2 3 t

30º 150º 270º 390º 510º 630º 750º

i

I t

i 1

d t

i 2

t

i 3

t

v t D1

3 V̂

Fig.4.14.: Formas de onda del rectificador estrella de la figura 4.13.

d



v 1

v 2

v 3

V̂

0

V̂ t

3

v

v

T1

ig1

d

Fig.4.15.: Rectificador estrella trifásico controlado.

v d

30º 150º 270º 390º 510º 630º 750º

ig1

ig

2 t

i g

3 t

id

t

i1

t

i2

t

i3

t

v T1

V̂ t

Fig.4.16.: Formas de onda del rectificador estrella de la figura 4.15.

R

i1

v1

v3

v2 i2

i 3

t

ig2 id

ig3

L



º

º

vd

t

vd

t

º

vd

t

Fig.4.17.: Tensión en la carga de un rectificador estrella trifásico con carga resistiva pura.

º

vd

t

vd

t

º

vd

t

Fig.4.18.: Tensión en la carga de un rectificador estrella trifásico con carga R-L (Ld).

º



V

D1

i2

iD3

D3

i3

D6

iD4

D2

iD6

v1 iD1

D1

iD5

D5

i1

v2 L

R v

3

D4

iD2

2

4.1.5) Rectificador trifásico puente. (Puente de

Graetz).

P id

0 vd

N

Fig.4.19.: Rectificador puente trifásico no controlado.

v1 i1

v2 i

v3 i3

iD1

iD3

iD5

iD4

iD6

iD2

VD1

D1

D3

D5

D4

D6

D2

P id

L

vd

R

N

Fig.4.20.: Otra forma de ver el rectificador de la figura 4.19.

V ig1

iT1 P id

D1

v1 i1

v2 i

T1 T3 T5

iT3 iT5 L 2

0 vd

v

3 i3

R

T4 T6 T2

iT4 iT6 iT2

N

Fig.4.21.: Rectificador puente trifásico controlado.

i2'

iy

i1'

0



vN

O

v̂ v

PO

v1 v2 v3

vd

t

id

iD1

iD2

iD3

t

t

t

t

iD4

t

iD5

t

iD6

i1

t

t

i2

i3 t

iy

1 t

t

t

t

v

D

Fig.4.22.: Formas de onda del rectificador puente controlado de las figuras 4.19 y 4.20.



vd

vNO

º

Id

T 1 T 1

º

v̂ v 1 v

vPO

2 v 3

v̂

g1

g4

g3

g6

g5

g2

d

1

2

T3

4

T5

T6

1

T4 T4

t

t

i

t

i t

i

t

i t

i

t

i

t

i

t

iT

t

iT

t

i

t

iT

t

i

t

i

t

i t

Fig.4.23.: Formas de onda del rectificador puente controlado.

3



T5 T1 T3 T5 T1 T3

D6 D2 D4 D6 D2 D4

id

id

v2 v3 v1 v

PO

vd

vNO

id

id

vd

vN O

T5 T 1 T 3 T 5 T1 T3

D6 D 2 D4 D6 D2 D 4

id

id

id

id

2

ig1

iT1

P id

v1 i1

v i2

0

v3 i3

T1 T3 T5

iT3

iT5 L

vd

R

D4 D6 D2

iD4

iD6

iD2

N

Fig.4.24.: Rectificador puente trifásico semicontrolado.

º

v̂

t

v̂

t

iT

t

iD

t

i1

t

Fig.4.25.: Formas de onda del rectificador de la figura 4.24 con = 45º.

º v2

v3

v̂

v1

vPO

t

3 vˆ

t

iT

t

iD

t

i1

t

Fig.4.26.: Formas de onda del rectificador de la figura 4.24 con = 105º.

3



i2 T2

v2

T3

v 3

v 1

id

v4

v T4 L

6 v5

T5 R

T6

4.1.6) Rectificador hexafásico.

T1 i1

vd

Fig.4.27.: Rectificador hexafásico.

t

t

t

Fig.4.28.: Formas de onda del rectificador hexafásico.

v1 v2 v3 v4 v5 v6 v

v̂ d

0

i1

i2



is T1 id

iD

DV

R

L

vd

4.2) RECTIFICADORES CON DIODO

VOLANTE.

v̂

t

id

vR

v vd t

vL is

t

iD

t

Conduce T1 Conduce DV

Fig.4.29.: Rectificador monofásico con diodo volante.

ig1

iT1 P i

d

iD

v1

v2

0

v3

i1

i2

i3

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.



vPO

0 t

vNO

0 t

vd

i1

i2

i3

iD

Fig.4.31.: Formas de onda del rectificador trifásico puente con diodo volante.

0 t

0 t

0 t

0 t

0 t



v 1

v 2

Rectificador

v 3

Inversor

º º º º º

t

vd

0 t

T v v

red d

t

T vd Pulso

t

v

4.3) OPERACIÓN DE UN RECTIFICADOR

COMO INVERSOR.

T1

vd

v̂

Id

t

Fig.4.32.: Operación de un rectificador con ángulo de disparo variable.

4.4) EL NÚMERO DE PULSOS DE UN

RECTIFICADOR

vd

v̂ p=2

v̂

p=3

p=6

T

Fig.4.33.: Sobre la definición del número de pulsos de un rectificador.

ig2

ig3

v1

v2

i 1 T1

ig1

i 2 T2 i

d

v

3 i 3 T3 L

d

+-

+-



v1 v

AK

N2

N

v2

i d

R

T2

min v

2 max v1

=60º

V̂

B

vd

d

v1 v

AK

N2

N

v2

id

R

T2

vd

v2 v1

Rango de control

V

V

4.5) OPERACIÓN DE RECTIFICADORES CON

CARGA ACTIVA

R L R L

VB Vrot

a) b)

Fig.4.34.: Rectificadores con carga activa: a) batería; b) motor de corriente continua.

Rango de control

T1

V

t v

vd

B i

t

a)

T1

=60º

v t VB

vd

B

b)

Fig.4.35.: Rectificador con carga activa-resistiva: a) VB > 0; b) VB < 0.



Ls d

+ + Vd

- -

v1 v

AK

N2

N

v2

S

d

id

i i D1 D3

Ls

A

+ vL V +

s- - vs

B

D4 D2

a) b)

c)

Fig.4.36.: Rectificador monofásico con carga activa-inductiva: a) circuito; b) circuito

equivalente; c) formas de onda.

=120º

V̂ vd

T1 A t 0

VB

v id

V v

d

B

v2 v1

B 0

T2

Fig.4.37: Rectificador monofásico con carga activa-inductiva (VB < 0).

v

t

id

L



R AK v

4.6) OPERACIÓN CON CARGA CAPACITIVA

1 i id

ic

+

vs Rd vd

- C

a)

b)

Fig.4.38.: Rectificador monofásico de media onda con carga capacitiva: a) circuito; b)

formas de onda.

V̂ vs

v d

0 t

T

i = ic+ i

d

id

0 t

ic



i (t) D1 D3

s i c

A +

C -

vd

B

D4 D2

vd

vs i s

Rdc

iD

Ldc

vs R

a)

0 t

isn % is1

b)

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).



vR

vT

D2 i d

D3 L d

R

b

4.7) TRANSFORMADORES PARA

RECTIFICADORES.

vS D1 is

vd

a)

vd

V̂

0 t = x

vS vR

vT

is

Id 1

0

t = x

ip

Id/3

0

t = x

b)

Fig.4.40.: Transformador delta-estrella alimentando a un rectificador estrella trifásico: a)

circuito; b) formas de onda.

t

Fig.4.41.: Corriente en el primario y en el secundario de un transformador estrella-estrella

alimentando a un rectificador puente trifásico.

ip

vp

v

i

2

I d

3

2

3



v1 v2 v3

Id

v21=v2-v1

v̂

v̂ vd

0

id

i1

i2

i3

4.8) EL PROCESO DE CONMUTACIÓN.

v1 i

1 Lk

- +

Rk T1

v2 i

2 Lk

- +

v

3 i3 Lk

- +

Rk T2

Rk T3

id

id

Ld

R

Id

vd

a)

t

t

t

t

t

b)

Fig.4.42.: Proceso de conmutación con = 0; a) circuito; b) formas de onda.

3



v1 v2

t

i1 i2

Id

t

vd

t

v1 v

2

2

v1

v2

t

i1 i2

Id t

vd

t

v1 v 2

2

v1 v

2

v1 v2 v3

v̂

v̂

2 0

v d

v v

0 0

i i

vd vd

0 0

v1 v2

a) b)

Fig.4.43.: Efecto del ángulo de disparo sobre el ángulo de conmutación : a) = 0;

b) = 45º.

t=x

x=0 v1 v 2

2

Fig.4.44.: Formas de onda para calcular la tensión en la carga considerando la

conmutación.



- +

v2 - +

i2 Lk T2 id

v3 i3 Lk T3 - +

Ld

R

1 2

v1 i1

vAK

Lk T1

vd

= 150º

v1

a)

v2 v

3

v v

2

0 t

vd

vAK

v13

v12

0 t

b)

Fig.4.45.: Ángulo de disparo máximo; a) circuito; b) formas de onda.



i 1 i

= 150º

v1

vd

= 165º

v2 v3

v1 v 2

2

0 t

vAK v

13

v12

vAK(T1)

0 t

i

2 i3 i1 1

id

0 t

Fig.4.46.: Falla en la conmutación de un rectificador.



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.



v1 v2 v3

v4 v5 v6

v1,v4

2V̂ vd

ed v

R1 v

R2

t

vd

vR2

vR1

5

4.9) CONEXIONES MULTIPLES DE

RECTIFICADORES.

4.9.1) Rectificadores en serie.

id

vR1 L

vd vd

R

vR2

Vm

v3,v6 v2,v

5

v1

v v6

Vmed

v3,v6 v1,v4 v2,v5

v3 v2

v4

v1 v6

v2 v4

t

v3 v5

Fig.4.49.: Rectificadores en serie.

L

C.A

R

C.A



v9

v

AB

v1 v

2 v

3

30º

v1 v2 v3 Primario()

IM

VDE

V

AB

RE

v4 v5

A B v

AB

v7 v8

v6 Secundario( )

Secundario()

D vDE

E

vDE

t

t

Fig.4.50.: Transformador de tres devanados.



1

2

v v d vd

p=12

vR1 vR2

Primario ( )

vR1

L

Secundarios R v

d

v

R2

t

Fig.4.51.: Rectificador de doce pulsos.



v1

v6

v2

v4

v3

v5

v

1-5

v

1-6

i 1 i

2 i 3 i

1 i

2 i

i 6 i

4 i

5 i

6 i

4

v

4.9.2) Rectificadores en paralelo

Rectificador 1 Rectificador 2

vd1 i1

i2

i3

id1

id2

Id

L

vd

i4

i5

i6

vd2

v1 v2 v3 R v4 v5 v6

Reactor de

interfase

vri

2

vri

2

= 0º

d

vd

vd2 vd1

t

vri

t

id1

id2

3

Fig.4.52.: Rectificador doble estrella con reactancia de interfase.

Id

2 t

Id

2 t



III IV

0

i

4.9.3) Rectificadores en antiparalelo: el convertidor

dual.

Rect I Rect II

a) d

id

vd vd

Rect I b)

Rect II

Fig.4.53.: Convertidor dual: a) esquema básico; b) cuadrantes de operación.

L1 L2 L3

vd1

Rect 2

Rect 1

a)

b)

Fig.4.54.: Convertidor dual de 3 pulsos: a) circuito; b) formas de onda.

id

II I

0

2

vd2 M.G

1' 2' 3'

1 3



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.

vs1

vs2

vs3

vd2

M.G

vd1

1' 2' 3' id

1 2 3 vkr ikr



IKR'

IKR''

IKR'

IKR''

LD

LKR LKR

1 1 1 1

2 2

2 2 3 3

A LKR

B A B

L

KR

a) b) L

KR

A B A B

c) d)

1 1

2 2

3 3

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.

IKR

Tr1 IKR

Tr2


CAPÍTULO 5 CICLOCONVERSORES

CAPÍTULO 5

CICLOCONVERSORES

5.1) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

I

II

vd, id

Fig.5.1.: Esquema de un cicloconversor.

vd

id

t 0

II I I II II

Inv Rectificador Inv Rectificador Inv

A B C D E

Fig.5.2.: Formas de onda de un cicloconversor.

L R id

vd

Carga



va ia v

a ia P

vb ib

id v

b ib i d

vc

ian

ic vd

vc ic N

5.2) CICLOCONVERSORES DE TRES PULSOS

iap

N

vd

Fig.5.3.: Formas de onda de un cicloconversor de punto medio con carga resistiva.



foutput

finput

foutput

1

5

10 Hz

Fig.5.4.: Formas de onda de un cicloconversor de tres pulsos con carga inductiva.



Fig.5.5.: Cicloconversor de 3 pulsos con carga trifásica.

Fase 1

Fase 2

N N

Fase 3



I II

Ld

R

b

5.3) CICLOCONVERSORES DE 6 PULSOS

id

va

v vd

vc

Fig.5.6.: Cicloconversor de 6 pulsos con carga monofásica.



Fase 1

Fase 2

Fase 3

Fig.5.7.: Cicloconversor de 6 pulsos trifásico.



5.4) CICLOCONVERSORES DE 12 PULSOS

Fuente de

Poder

Interruptor

de

Alto Voltaje

Exitación

Transformador

de Potencia

Ciclo-

Conversor

iL1

iL2

iL3

vL1 v

L2 vL3

Lazo de

Control iL1,L2,L3

vL1,L2,L3

M Motor

3 - trifásico

Variable de Referencia Variable de actuación

iL1

a iL3

Corrientes del Motor vL1

a vL3

Voltajes del Motor

Fig.5.8.: Cicloconversor de 12 pulsos alimentando un motor sincrónico.



Fig.5.9.: Formas de onda del voltaje generado por el cicloconversor de 12 pulsos.

CAPÍTULO 6 CONVERTIDORES DE FRECUENCIA FIJA


iS i

iG2

Circuito de

disparo

iG1 L

R

Circuito de disparo

iS

iG L

R

i

CAPÍTULO 6

CONVERTIDORES DIRECTOS DE

FRECUENCIA FIJA (AC-AC)

6.1) INTERRUPTOR BIDIRECCIONAL DE

ESTADO SÓLIDO

d d

vs vd

vs

vd

a) b)

Fig.6.1.: Interruptor estático de corriente alterna con: a) tiristores; b) triacs.


CAPÍTULO 6 CONVERTIDORES DIRECTOS DE FRECUENCIA FIJA

6.1.1) Convertidor AC-AC monofásico con control de

fase.- = 40º

v vd

vs

= 100º

v vd vs

t t

iG1

iG2

iG1

t t iG2

=150º

v

vs

=120º

vd

t

a) =110º

t

=90º

t

id

t

iG1

t iG2

t

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.



v v d

v s

t

T1 T

T2

iG1

t

iG2

v T1 a

+ ia L

A

vb

T2

T3

+ b i L

B

vc

T4

T5 i L

+ c

C

6.1.2) Convertidor AC-AC monofásico con control

integral de ciclos.

t

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.

R

R

n N

R

T6

Fig.6.4.: Circuito de potencia de un convertidor AC-AC trifásico completamente

controlado.



T5 i c L

C

ia L

A

R N

R

vb

vc

T1

a R +

T2

T3

n + T4

+

ib L

B

T6

va

vb

vc

0 t

ig1 t

ig2 t

ig3 t

ig4 t

ig5 t

ig6

t

ia

0 t

vab

0 t

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

= 0º.

v



T5 i c L

C

ia L

A

R N

R

vb

vc

T1

a R +

T2

T3

n + T4

+

ib L

B

º

T6

va vb vc

0 t

ig1 t

ig2 t

ig3

t

ig4

t

ig5

t

ig6

t

ia

0 t

vab

0 t

T 1 T 1 T 1 T 1 T 1 T 2 T 2 T 2 T2 T 2 T 1 T 1 T 1 T 1 T 1 T 2 Fase a

T 4 T 4

T 5 T 5

T 4 T 4

T 6

T 3 T 3

T 6 T 6 T 6

T 3 T 3

T 6

T 3

T 5 T5

T 4 T4 T 4

T 5 T5 T 5

T 4 T 4

T 6

T 3 T 3 T 3

T 6 T 6 T 6 T 6

Fase b

Fase c

Fig.6.6.: Formas de onda de un convertidor AC-AC trifásico completamente controlado

( = 30º).

v



Fig.6.7.: Corriente ia en un convertidor AC-AC trifásico con carga resistiva y diferentes

ángulos de disparo



Fig.6.8.: Oscilogramas de la corriente en el convertidor AC-AC trifásico de la figura 6.4

con carga inductiva-resistiva.


CAPÍTULO 7 CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA

ie T

id

+ iD

D

L

R

CAPÍTULO 7

CONVERTIDORES DE

CONMUTACIÓN FORZADA

7.1) PULSADORES.-

Se los conoce también como:

* Convertidores CC-CC.

* Choppers.

7.1.1) Principio de funcionamiento.-

VB vd

Fig.7.1.: Chopper reductor (Buck).



L

R

id

VB

vd

0 ton

T

toff t

iT1

Vd

VB

0 1

ie id id

L + i

VB vd

D vd

R

a) ton b) toff

t

t

c)

1 T

Vd v d dt T 0

D ton

T D

d)

Fig.7.2.: Chopper reductor: a) y b) circuitos equivalentes; c) formas de onda;d) tensión

versus ciclo de trabajo D.

iD1



+ + +

T1 T3

vd

+

id R L

T2 T4

v

VB VB vd

a) b)

id

T1 D1

+ id

B d

v T2 D

2

+

c)

id

V vd

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).

d

V



vL iT iC

+

T

+ +

iL L D iD id

VB R vd

iL L

iT

VB

a)

R vd

iL L i

D

VB

id

R vd

b) ton c) toff

t d)

Fig.7.4.: Convertidor CC-CC elevador (Boost): a), b) y c) circuitos de potencia y

equivalentes; d) formas de onda.

vd

ton

toff t

T

iL

t

iT

t

iD

vd > VB

id



I

II

VB

ton

toff t

id

t

iT2

t

iD1

i

v

vd

VB d

VB

iT1

d

V C

id i D2

t on

t off t

t

vd t

a)

vd

VB

vd

V

C

id

vd

t

b)

Fig.7.5.: Chopper de dos cuadrantes.

iT1

T1 D1

+ id

T2

iD2

D2

L

R

+

iD1

T1 D1

+ id

iT2 L

T2 D2 R

+



I

II

iD3

D3

id

VB

D4

vd

VB

0

-VB

iT1

iT4

iD2 iD3

t

Fig.7.6.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante I.

iD3

D3 id

VB

D4 vd

V

B

0

-VB

Fig.7.7.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante II.

iT1

T1 D1 T3

vd

+

i R L d

T2 D2 T4

iD2

iT4

vd

id

t

t

iT1

T1 D1 T3

+ i R

vd

L +

d

T2 D2 T4

iD2

iT4

id

t

vd



t

vd id

IV

vd

t

id

iD3

D3 vd

VB

D4

id

VB

0

-VB

Fig.7.8.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante III.

iD3

D3 vd

VB

D4

id

VB

0

-VB

Fig.7.9.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante IV.

III

iT1

T1 D1 T3

v

d

+

R L

T2

id

D2 T4

iD2

iT4

iT1

T1 D1 T3

vd

+

+ R

L

T2

id

D2 T4

iD2

iT4



7.2) INVERSORES.-

7.2.1) Inversores monofásicos.-

Inversor semipuente monofásico

VB +

2

iT1

T1

vd

D1

iD1

VB/2

-VB/2

vd

T/2

T

V

B

2

id

R L id

+ T2

iT2

a)

VB/2

t

-VB/2

vd

T/2

iD2

D2

id

t

T

iT1

iD1

iT2

iD2

iBT1

iBT2

iT1

t t

iD1

t t

iT2

t t

iD2

t t

iBT1

t t

iBT2

t t

b) c)

Fig.7.10.: Inversor semipuente monofásico: a) circuito; b) formas de onda con carga

resistiva; c) formas de onda con carga resistiva-inductiva.



i

Inversor puente monofásico

iT1

iD1

iT3

iD3

T1 iBT1 D1 D3

T3

vd

VB

+

T2

iT2

R L d

T4 D2

iD2

iT4

D4

iD4

VB

-VB

iT1,T4

iD1,D4

iT2,T3

iD2,D3

iBT1,BT4

iBT2,BT3

vd

id

t T/2

T

t

t

t

t

t

t

Fig.7.11.: Inversor puente monofásico: a) circuito; b) formas de onda.



7.2.2) Inversor trifásico fuente de voltaje.-

Vd

Fig.7.12.: Circuito de potencia de un inversor trifásico fuente de voltaje.

vS

Fig.7.13.: Inversor trifásico conectado a una red monofásica.

is

60-Hz

Entrada ac

a +

- Vd

b

Motor

c

N

Fig.7.14.: Inversor trifásico conectado a una red trifásica.

+ a

b Motor

c

N

iS

a

Vd b Motor

c

N



V

+

+ d

2

Vd o

+ Vd

2

-

iT1

T1

T4

iT4

D1 T2

D4 T5

iT2

iT5

D2

T3

D5 T6

iT3

D3

D6

iT6

Carga

R S T

vR vS vT

N

T1 0 º

T2

T3

T4

T5

T6

vRS

vST

vTR

vR

60 º

120 º 180 º 240 º 300 º 360 º

Vd

Conduce

Vd

2

V

No conduce

Vd

t

t

t

t a)

t

t

t

t b)

t

t

3 d

S

t c) Vd

vT

vNO Vd/6

3

t

t 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.

v



R

+

+ Vd

2

Vd

o

+ Vd

2

-

iT1

T1

T4

iT4

iD1

iD4

D1 T2

D4 T5

iT2

iT5

D2 T3

D5 T6

iT3

D3

D6

iT6

Carga

R S T

vR vS vT

N

Conduce No Conduce

T1

t T2

t

vRS

t

vR ,

iR

i vR

t

iT1

t

iD1

t

iT4

t

iD4

t

Fig.7.16.: Formas de onda de voltajes y corrientes en un inversor trifásico sin modulación

CAPÍTULO 8 CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES


iG

Circuito de

disparo

+

v L

d

s

R

Vcc

iG

vs v

sinc

Tr

CAPÍTULO 8

CIRCUITOS DE DISPARO PARA

SEMICONDUCTORES

8.1) ELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITO

DE DISPARO.-

T1

220 Vref vd

vc

Fig. 8.1.: Esquema básico de un circuito de disparo.



K

- I

v + v

1

sinc Tr1

C1

+Vcc

R0

+Vcc

-VB

-

Multivibrador

monoestable

+Vcc

II +

+ v III 2

- v3 v6

V v

Tensión de

sincronismo

Generador de

diente de sierra

vds

Comparador

Multivibrador

monoestable

Al Gate

vc

Fig. 8.2.: Diagrama en bloques de un circuito de disparo elemental.

+Vcc

a)

Pulso de

disparo

v

C

vsinc:kvs

0 t =0º

v1

0 t v2

m C

b) 0 t v3

0 t v6

0

t

Fig. 8.3.: Circuito de disparo con amplificadores operacionales: a) circuito; b) formas de

onda.



R

E

R2

B2

V BB

C vC

B1

R1

vG

Carga

R R

2

Tr1

+

vS

C v

G

8.2) CIRCUITOS DE DISPARO CON

TRANSISTORES MONOJUNTURA.

+Vcc vC 1

2

vP

t

vG

t 1 2

Fig. 8.4.: Oscilador de relajación con transistor monojuntura.

R3

D1

a)

VZ

vS

b)

vG

Fig. 8.5.: Circuito de control con transistor monojuntura.

vS

vZ

vp=VBB



D2

D1

G

o

Retardo

del

ángulo

8.3) CIRCUITOS DE DISPARO AISLADOS

PARA SCR.

A

15 V

K

RG

Señal TG

de

pulso

Fig. 8.6.: Uso de transformador de pulso para aislar SCR.

1 2

Línea

3 4

Fuente de poder

para el circuito de

disparo del Gate

Detección de

cruce por cer

Trafos de

pulsos

vcontrol

Amplificador

de pulsos

Tierra del

control

Fig. 8.7.: Diagrama general del circuito de disparo para un rectificador monofásico.



Registro d

sincronism

Detector de

cruce por cero

-

e

+ o

C 10 monitor de

descarga

-

3.1 Vac + Lógica

Iconst -

Control del comparador

Transistor de

descarga

+

8.4) CIRCUITOS DE DISPARO INTEGRADOS

PARA TIRISTORES.

Sincronización5

Usyn

14 Q1

Fuente 16

Us +

Tierra 1

15 Q2

4 Q1 + R4

2 Q2 + R2

3 QU + a) R3

7 QZ + R7

8 9 10 11 6 13 12

Uref

10

C8 R9 C10

[RR] [CR ]

Resistencia de la

rampa

Condensador de la

rampa

U S6 S13 C12 [C ] 11 i

Selección del largo del

pulso para Q1 y Q2

Selección del largo del

pulso para Q1 y Q2

Inhibidor del pulso

Voltaje de control

b)

Fig. 8.8.: Circuito de disparo integrado TCA 785: a) diagrama de bloques; b) formas de

onda.

U



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.



Fig. 8.11.: Circuito de disparo para un rectificador trifásico semicontrolado.



Fig. 8.12.: Circuito de disparo con doble pulso para un rectificador trifásico puente

totalmente controlado.



IC

DS0026

o

UC1706/07

RG

8.5) CIRCUITOS DE DISPARO PARA

TRANSISTORES DE POTENCIA.

VGG

+

Del circuito

de control

-

Comparador

G

E

VGG

Del circuito

de control

Fig. 8.13.: Amplificación de la corriente por el gate.

+15 V

3 k RG

Del circuito

de control

F

100pF

Optoacoplador

(HPL-4503)

IXLD4425

Fig. 8.14.: Circuito de disparo con aislación galvánica mediante acoplador óptico.



Aislación

de señal

Circuito

de control

base

Lógica y

electrónica

de control

Aislación

de señal

Circuito

de control

base

Aislación

auxiliar de poder

para circuitos de

control base

Diodos

antisaturación y/o

conexiones de

protección de

sobrecorriente

Vcc

T +

Df+

+

-

+ Vd

- T - D

f-

Entradas

de control

Circuito de

disparo

iL

vS

Tierra de

seguridad

Fig. 8.15.: Sobre la necesidad de la aislación de los pulsos de disparo.

Módulo

+

L

300 V vL

R

-

Fig.8.16.: Chopper de un cuadrante.



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.



Fig.8.19: Operación a 100 kHz, VCE: 50 V/div, IC: 10 A/div, Tiempo: 2 s/div.

Fig.8.20: Operación a 100 kHz, IC: 10 A/div, Tiempo: 2 s/div.

Fig.8.21: Cortocircuito en la carga, IC: 20 A/div, Tiempo: 2 s/div.


CAPÍTULO 9 APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS

CAPÍTULO 9

APLICACIONES Y CONTROL DE

CONVERTIDORES ESTÁTICOS

9.1) CONTROL DE RECTIFICADORES.-

Fig. 9.1.: Esquema de control básico de un motor de corriente continua

Controlador Velocidad

Controlador Corriente

Sincronismo

nRef iARef

n iA

iA

M,G G



nRef

iaRef v n

c

Carga

n ia

ia

Fig. 9.2.: Control de una máquina de corriente continua alimentada por un rectificador

puente.

n=0

t

t

Fig. 9.3.: Comportamiento de las variables en el sistema de la figura 9.2.

Fig. 9.4.: Transductores de corriente alterna para medir la corriente de salida del

rectificador.

vS

G1 R1

R2

i''S

Rb vi C

i'S

Red

R

b

i''S

i'S

G1 R1

R2

v vi

C S

Red

n ref

n

iref

ia



Fig. 9.5.: Control de velocidad en 4 cuadrantes con un convertidor dual con corriente

circulante.

Fig. 9.6.: Inversión de marcha del motor de la figura 9.5.

icirc

ref i

aref

id1

i d1

-1

i id2

circ

id2

MG ia

G

ref

t

ia ia

t

id1

icirculante

id2

icirculante

t

t



i n

Circuito de comando

nref iref

ia

n & 1

vd

M.G

G

L1 L2 L3

ia

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.



L1 L2 L3

Fig. 9.9.: Accionamiento de 4 cuadrantes con inversión del rotor.

L1 L2 L3 L1 L2

Fig. 9.10.: Accionamiento de 4 cuadrantes con inversión del campo.

i

Medición

de i Conmut. a

ia

nref

n iref

n

& 1 Comando

M.G

U B

G

i

Medición

de i Conmut. a

ia

nref

n iref

n

& 1 Comando

ia

M.G ia

UB

G



Kd

1+pTd

1

pTM

Tt TM

eM

m L

nW KR1(1+pTR1) iW

pTR1

K e-pT Ud i

d nM

t t

Control de corriente

Control de velocidad

KR2(1+pTR2)

pTR2

UR

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).

Fig. 9.12.: Control de corriente de 2 posiciones (Bang-Bang).

KR1

TR1

KR2

TR2 Kt Tt Kd T

d

eM

m TM

L

nW iW UR

Ud id nM

Control de corriente

X T1, T4

T2, T3

iL

Comparador

X T1 T3

i 1 Lref

vL

+

iL

2

X V

R L

T2 T4



V

t

-V

iLref

iL /2

iL

t

vL

V

t

-V

X

1

Estrategia de control:

Si iLref > iL iL debe aumentar

Si = iLref - iL > /2, x= “1”.

T1 y T4 conducen y vL = V iL aumenta.

Si iLref < iL iL debe disminuir

Si = iLref - iL < - /2, x= “0”.

T2 y T3 conducen y vL = - V iL disminuye.

vL

X

1

0

t 0

t

Fig. 9.13.: Formas de onda del control de corriente de 2 posiciones: a) histéresis ancha; b)

histéresis angosta.

iL

iLref

iL t



a)

w, wref

0

ia, i

a ref

0

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.

ia

Comparador

PI Velocidad X T1 T3

ref

iaref

+

1

2

X T1, T4

T2, T3 V

+

i T2 T4

a

w

t w

ref

ia

t ia ref



Cont

+

vd

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

v

Fig. 9.17.: Chopper con control PWM.

T1 T3

vL

V

i R L L

T2 T4

'1'

'0'

X T1, T4

T2, T3



cont 2 d V

dm

t

X

'1'

'0'

v t L

V

iL

t

-V

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

Vcont 1 vd

vd , vcont V v

t

X

'1'

'0' t

vL

V

iL

t

-V

a) b)

Fig. 9.18.: Chopper con control PWM: a) Vcont1 > 0;b) Vcont2 > Vcont1.



i L

Vcont 3

vL

t

i L

vcont v d

t

vd , vcont

Vdm

vd , v

d Vdm

0

t

Vcont 3

L

V V

0

t

-V

X '1'

'0'

-V

X '1'

'0' t

a) b)

Fig. 9.19.: Chopper con control PWM: a) Vcont3 < 0; b) Mayor frecuencia de conmutación.

a) b)

Fig. 9.20.: Respuesta a escalón de referencia del modulador PWM con frecuencia de

conmutación: a) baja; b) más alta.

Vdm D=0.75

t

VL

400

0 t

-400

iL =15[A]

iL

L=0.01[H]

R= 20[]

0 0.5 1 1.5 2 [ms] t

V dm

t

VL

t

iL

t

t

v



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.

a)

0

b)

Fig. 9.22.: Inversor monfásico con control por histéresis: a) diagrama funcional; b) formas

de onda.

'1'

'0'

PI Velocidad Comparador T1 T3

i ref aref V v

L

Cont

+

+

iL

V

+

v d T2 T4

ia

X T1, T4

T2, T3 iL

Comparador

X T1 T3

i 1

Lref vL

2 V

+ L R

iL T2 T4

i L

t

i* L



9.3.2) Inversor monofásico con modulación PWM.

Fig. 9.23.: Inversor monofásico con modulación PWM.

vcont

vd

0

(1/fs)

vL v

L1

0

Fig. 9.24.: Formas de onda del inversor monofásico con modulación PWM de la figura

9.23.

'1'

'0'

X T1, T4

T2, T3

Comparador T1 T3

v vL

Cont

+

vd

V

i R L L

T2 T4



b)

Fig. 9.25.: Variación de frecuencia con modulación PWM: a) 120 V- 60 Hz; 120 V- 30 Hz.

b)

Fig. 9.26.: Variación de amplitud con modulación PWM: a) 120 V – 60 Hz; 60 V – 60 Hz.

a)

a)



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.

a)

b)

c)



9.3.3) Inversor trifásico con control de corriente.

ic

n

a)

Nota: Las fases b y c tienen un control similar.

* a

ia

0 t

vab

0 t

va

0 t

b)

Fig. 9.28.: Inversor trifásico con control de corriente por histéresis: a) circuito; b) formas

de onda.

C.D

C.D

T1 T3 T5

V

T2 T4 T6

N

i *

Xa i a

i b

a

+ a vab

b vbc

c

i Xa a

v a

v b

v c

i



9.3.4) Inversor trifásico con modulación PWM.

a)

C

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.

C.D

C.D

v * A

+

Xa

T1 T3 T5

vd V

Xa T2 T4 T6

vB*

+

X b

N i A i iC

vd A B

v B

AB v

BC

vd vA vB vC

v * C

+

X t c

n

vd



*

A vB

v

* vC

*

0 t

vAC

0 t

vA

0 t

iA

0 t

Fig. 9.30.: Inversor trifásico con modulación PWM, comportamiento de la corriente de

carga.

v d

electrónica industrial josé rodríguez

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