ISTPCARLOS CUETO FERNANDINIEspecialidad Electrnica IndustrialProf. Luis A. Snchez

ELECTRONICA DE POTENCIASemestre III Pag.

LOS TIRISTORESLa electrnica de potencia concierne a circuitos con tiristores, a su diseo y a su funcin en el control de potencia. Hay gran variedad, pero todos tienen propiedades en comn: son dispositivos de estado slido que se disparan bajo ciertas condiciones pasando de un estado de alta impedancia a uno de baja (corte- conduccion, abiertocerrado) y se mantiene este estado mientras que la corriente y la tensin sean superiores a un valor mnimo denominado niveles de mantenimiento. El disparo de un tiristor se realiza inyectando corrientes y, conmuta a conduccin y se mantiene asi hasta que la seal de disparo sea retirada. Estas caractersticas hacen que sean mucho ms tiles que los conmutadores mecnicos, en trminos de flexibilidad, duracin y velocidad. Estos dispositivos se utilizan en control de potencia, convertidores DC-DC o DC-AC o AC-DC o AC-AC, motores, luz incandescente, etc. Rectificador controlado de silicio

Triac

Transistor de unijuntura

Transistor de unijuntura programable

Conmutador bidireccional de silicio

Sidac

Compuerta encendido-apagado GTO

figura.1 se muestran la familia de los tiristores DIODO DE CUATRO CAPASEl diodo de cuatro capas o diodo Shockley es un dispositivo de cuatro capas npnp, cuya estructura y smbolo se describen en la figuras 1.a y 1.b. Esencialmente es un dispositivo interruptor. Al aplicar un tensin positiva entre nodo y ctodo circula una corriente muy baja (despreciable) y el dispositivo se encuentra cortado. Aumentando esta tensin positiva se llega a una tensin VBO de ruptura o avalancha donde la corriente crece de forma abrupta y la cada de tensin decrece FIG. 1 diodo de cuatro capasa)Si el Vak0 es la Regin de resistencia negativa y cuando la tensin entre nodo y ctodo es suficientemente alta se produce la ruptura de la unin con un incremento muy elevado en corriente . c)Regin de saturacin o conduccin. En esta regin, la cada de tensin entre nodo y ctodo est comprendida entre 0.5V y 1.5 V, prcticamente independiente de la corriente. Se mantendr en este estado siempre que la tensin y corriente alcancen unos valores mnimos conocidos como niveles de mantenimiento definidos por VH e IH.SIDAC El SIDAC es un dispositivo bilateral de disparo de alta tensin y corriente. Es bsicamente un diodo de cuatro capas con unas caractersticas elctricas simtricas sus caractersticas elctricas simtricas. ElSIDAC se utiliza en aquellas aplicaciones que se necesitan una tensin de disparo VBO cuyos valores estn comprendidos entre 120 V y 270 V (tpicos) FIG. 2 Estructura fsica Smbolo Caracterstica I-V TABLA 1 Datos tcnicos de varios SIDAC

En la figura 3.a se presenta una aplicacin basado en el MKP3V120 para generar ondas tipo sierra o triangulares usados en barridos, Lasprincipalescaractersticas de este dispositivo son: VT=VH=1.1 v IH =100mA(max) VB0=120 v(typ) IB0=200 A(max)Imax.=1A. En la figura 3-b se ve la forma de onda generada por el diodo SIDACFIGURA 3

Una de lasaplicaciones ms tpicas del SIDAC es como generador de diente desierra en donde se aprovecha las caractersticas de disparo y bloqueo deeste dispositivo. En la figura 12.6.a se presenta el esquema de este

El SBS o Silicon Bidirectional SwitchEs un dispositivo de baja potencia simtrico para aplicaciones de disparo ms verstil que el SIDAC. Tiene adems un terminal adicional (Gate o G) que permite modificar sus caractersticas de disparo con pequeos pulsos de corriente (decenas de A). Su reducido coste, alta velocidad y capacidad para disparar puertas de tiristores con altos valores de corriente hace que este dispositivo sea muy til en muchas aplicaciones.

EL SBS no es solamente un versin mejorada del diodo de cuatro capas, sino que es fabricado como un circuito integrado constituido por transistores, diodos y resistencias. La figura 4-.a muestra su smbolo, la figura 4 -.b su estructura a nivel circuital y la figura 4-.c sus caractersticas I-V. FIGURA 4

El MBS4991 de Motorola es un ejemplo tpico de un SBS simtrico. Sus parmetros caractersticos de acuerdo a la grfica de la figura 12.7.c son: VS=8 V, IS=175 A, IH=0.7 mA y VF=1.4 V El disparo de este dispositivo se puede realizar bien superando la tensin VS o bien aplicando una corriente de puerta IGF=100A. TABLA 2aplicaciones del SBSFIGURA 5

FIGURA 6

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO O SCR FIGURA 7El SCR o Silicon Controled Rectifier es un dispositivo triterminal (A o nodo, C o ctodo y G o gate o puerta de control) muy similar al diodo de cuatro capas, pero que posee una entrada adicional (G) que permite disparar el dispositivo antes de alcanzar la VBO.(Voltaje mximo de ruptura directa) En la figura 7 .a se muestra el smbolo del SCR y en la figura 8 la caracterstica V- I

FIGURA 8

Parmetros del SCR, algunos son:Tiempo de conduccin (Turn-on Time).Tiempo de la tensin de disparo para pasar al SCR de bloqueo a conduccin. Ton=Tdelay time + Trisetime. Tiempo de corte (Turn-off Time).Tiempo que el SCR puede permanecer debajo de las condiciones de mantenimiento.Velocidad critica de elevacin.- Las variaciones rpidas de voltaje entre AK pueden ocasionar un estado de conduccin sin disparo, esta variacin no debe pasar el parmetro dV/dt , si se supera adems del disparo puede daar al dispositivo, ejemplo el 2N5060 es 30V/us, tpico es que los ruidos de lneas conocidos como transitorios sean los causantes. Para evitar estos problemas se ponen circuitos de proteccin como los siguientes. FIGURA 9

Hoja de datos tecnicos del BT151-600 Figura 10

Nos dice que soporta un Maximo de Voltaje Pico repetitivo en estado de no conduccion de 600v.La corriente maxima RMS en estado de conduccion es 12 A., Tiene un voltaje bajo en estado de conduccion de tipico 1.4 v. y es del tipo no aislado entre puerta y catodo o placa.

La informacion anterior nos dice que la corriente de disparo por compuerta IGT esta por 15 mA. Y el voltaje VGT de disparo por compuerta esta por 1.5 v.

Nos dice que el promedio critico de subida volatje en estado apagado es de 200 V/us, es decir si una onda de voltaje entre anodo y catodo tiene una subida de mas de 200v. en menos de 1 us el SCR se puede disparar solo o pasar a conduccion sin necesidad de corriente de disparo por puerta. Hay cuatro maneras de activar o disparar a un SCRa)Disparo por puerta.-Es el mas comun, se aplica una corriente a la puerta, en los niveles dados por su fabricante, si se sobrepasa se puede daar al SCR.Normalmente esta en valores como I GT=15 mA y VGT=2 v. Los SCR de alto amperaje como de 1300 A. pueden necesitar I GT=500 mA, y ademas el tiempo de duracion del pulso de corriente y voltaje debe tener una duracion minima entre 1us. a 3 us.b)Activacion o disparo por luz.-La energia de la luz dirigido a sus uniones semiconductoras puede provocar el disparo, se les llama Foto-SCR o LASCR, o comunmente OptoSCR,ejemplo el SP-101 precisa una radiacion luminica de 24 mW/cm2 con una luz de longitud de onda en 850 nm. Para su acativacion.c)Activasion por tension de ruptura.-Ocurre cuando el V AK es alto y produce la conduccion, es el VBOd)Disparo por aumento de dv/dt.-La variacion rapida de la tension directa entre AK puede disparar al SCR. FIGURA 11 En a y b vemos Circuitos de disparo en DC

FIGURA 12 .( c ) circuito de disparo por impulso ( d ) circuito de disparo controlado por seal alterna

Los circuitos de disparo en DC vienen de interruptores mecnicos o circuitos electrnicos/digitales, los de disparo por pulsos usan un transformador de acoplo que transmite el pulso de disparo, esto permite tambin un aislamiento elctrico y precisa menor potencia de disparo, pero ocupan un tamao, generalmente son sustituidos por opto acopladores luminosos, los de disparo por alterna estn diseados para estar sincronizados entre la fase del suministro de lnea y el disparo.Bloqueo de un SCR. Es el paso de pasar a corte el SCR, bsicamente hay tres formas:a) Conmutacin natural.-Se reduce la corriente de nodo a menos de la corriente de mantenimiento, o cortocircuitando al dispositivo.b) Corte por polarizacin inversa.-Se aplica una tensin inversa entre Anodo-Catodo, conmutacin por fasec) Corte por puerta.-algunos necesitan una corriente de puerta negativa, como los GTO.Regulacin en potencia de un SCR. Su propiedad de conmutacin de corte a saturacin es muy til cuando se controla potencias en usando pequeos valores de voltaje. En la figura 13 se quiere transferir a la carga una potencia de la tensin de lnea, uso al SCR como unidad de control, un circuito de disparo que introduce un desfasaje llamado Angulo de desfase o de disparo, y a - Angulo de conduccin. FIGURA 13 Hay tres zonas de funcionamiento del SCR

En la figura 14 Se ven las formas de onda del regulador de potencia, hay tres zonas de funcionamiento del tiristor.

FIGURA 14

La corriente eficaz I RMS entregada a la carga se obtiene con la ecuacin

El Voltaje eficaz V RMS entregado a la carga se obtiene con la ecuacin

La Potencia eficaz V RMS entregado a la carga se obtiene con la ecuacin

Reconocimiento de terminales el SCR

Bajo ohmiaje

Alto ohmiaje

En ambas direcciones siempre marca infinito ohmiajeAPLICACIONES DEL SCR cargador de bateria

Entendemos que las caractersticas ms importantes del SCR y el Triac son:Voltaje de ruptura directo. (Repetitive peak off-state voltage). Expresa el valor mximo de voltaje repetitivo para el cual el fabricante garantiza que no hay conmutacin, con la puerta en circuito abierto.Voltaje de pico inverso. (Non -repetitive peak off state voltage). Valor mximo de tensin en sentido directo durante un determinado periodo de tiempo con la puerta abierta sin provocar el disparo.Corriente mxima de operacin. Es la corriente de operacin o trabajo.Cada de voltaje en polarizacin directa. Es el voltaje entre el nodo y el ctodo cuando est en ON.Voltajes de compuerta. voltaje en la compuerta el mnimo para activarlo o mximo que soporta.Corrientes de compuerta. corrientes mnima y mxima que debe haber en la compuerta para que el SCR o Triac puedan conducir.Corriente de enganche. Corriente mnima entre sus dos terminales principales para mantener al dispositivo en estado de on inmediatamente despus de que ha sido activado y se ha retirado la seal de la compuerta.Corriente de sostenimiento. Es la corriente mnima entre sus dos terminales principales para mantener al dispositivo conduciendo en rgimen permanente. Esta corriente es menor que la corriente de enganche.dV/dt Es el mximo valor de la velocidad de cambio de voltaje de la seal entre terminales del Triac o SCR que permiten los dispositivos para no entrar en estado de conduccin o bien de ruptura.dI /dt Es el mximo valor de la velocidad de cambio de corriente de la seal a travs del Triac o SCR que permiten los dispositivos para no entrar en estado de conduccin.Verificacin y chequeo de Tiristores y Triacs Prueba con el Ohmimetro se verifica con este instrumento la gran mayora de rectificadores SCR y TRIAC,s.Procedimiento: Coloquemos el Ohmimetro en la escala para medir baja resistencia (R x 1). Coloquemos la pinza de polaridad negativa al ctodo del SCR, y conectemos el nodo al cable de polaridad positiva (multimetros analgicos), En este momento la aguja del medidor seala alta resistencia (si es que se mueve). Ahora hagamos un puente entre los terminales gate y nodo, esto ocasionara que la aguja suba a una posicin de baja resistencia, y se debe conservar all aunque retiremos el puente que uni estos dos terminales y suministr la seal de disparo. Si se trata de un Triac, hagamos primero la prueba anterior, luego invertimos los terminales del Ohmetro (es posible que en esta ltima posicin no se sostenga la aguja en su lugar de baja resistencia cuando se retire el puente, pero esto se debe a que la baja corriente del instrumento medidor no alcanza para mantener encendido el triac en esta polaridad).Para las pruebas, T1 equivale al ctodo, y T2 al nodo.

Un SCR es disparado por un pulso corto de corriente aplicado a la compuerta IG y fluye de compuerta a catodo, esta IGT esta entre 0.1 a 50 mA. y el VGT es ligeramente 0.6 v. .(Ver figura 15) una vez disparado ya no necesita la corriente de disparo, cuando la corriente IAK cae debajo del valor minimo IHO el SCR se apagara, este valor de FIGURA 15 corriente esta por los 10 mA. Ejercicio.-Para el esquema de la figura 16. Que voltaje se requiere en el punto X para disparar el SCR , donde la corriente de disparo esta por los 20 mA. FIGURA 16Solucion. El voltaje en el punto X debe ser suficiente para polarizar directamente GK y causar por lo menos un flujo de 20 mA. a travs de la R de 150 ohms , el voltaje directo entre GK es 0.7v. aplicamos ley de ohm. VX= ( 20 mA)(150 ohms )+0.7 V = 3.7 v

R1Circuito de disparo simple (Fig. 17) Aqu usa la misma fuente para el disparo y para la carga.

R2 FIGURA 17

Cuando la alimentacin es alterna el angulo de disparo es determinado por R2, si tiene valor bajo la corriente de compuerta es grande es alta y dispara al SCR rpidamente con una fuente de voltaje baja, por tanto el angulo de disparo es pequeo y la corriente de carga promedio ser alta. En la figura 18, la 18 (a) es de un angulo de disparo en 90 motivado por una corriente de compuerta baja, la (b) es para una coriente de compuerta alta y radido disparo. FIGURA 18 a bEjercicio.- En la figura 17 supongamos a)La fuente es 115 Vrms, IGT= 15 mA. R1=3 k , se desea que el retardo de disparo ocurra a 90, a que valor se debe ajustar R2.Solucion.-Deduciendo a 90 la fuente llega a su pico de voltaje de 115x1.41=162 v.Si ignoro VRL y VGK tendre por ley de Ohm 162v/ 15 mA=10.8K totales entre R1 y R2 por tanto si R1 =3K entonces R2=10.8k -3K= 7.8Kb) La fuente es 220 Vrms, IGT= 15 mA. R1=3 k , se desea que el retardo de disparo ocurra a 90, a que valor se debe ajustar R2.c) La fuente es 220 Vrms, IGT= 10 mA. R1=10 k , se desea que el retardo de disparo ocurra a 45, a que valor se debe ajustar R2.

Figura 19 USO DE CONDENSADORES PARA RETARDOS DE TIEMPOEs el mtodo ms sencillo para mejorar el control de puerta, como se ve en la figura 19, con esto se ajusta ms de 90, a mayor valor de potencimetro se retarda mas.

Figura 20 En la figura 20 se ve otros circuitos donde se ampla mas usando una resistencia R3, que exige que el condensador se cargue a mas de 0.6 v para dispara al SCR, y que debe forzar el paso de la corriente IGT pero con mayor voltaje, esto forma una rede simple RC, se puede agregar otro condensador C2 y tener como el circuito 20-(b) donde se tiene C1, C2 , R3 , mas el diodo que retardan mas el Angulo de disparo, estos condensadores tiene valores en el rango de 0.01 uF a 1 uF. Segn estos valores el Angulo de retardo mnimo (corriente de carga mxima) es determinado por los valores de R fijas R1 y R3, y el Angulo de disparo mximo (corriente de carga mnima) lo determina R2.En los circuitos anteriores haba la desventaja de que haba una dependencia de la temperatura, ya que a mayor temperatura del dispositivo su corriente de disparo disminuye y esto origina un cambio en el angulo de disparo y en consecuencia cambia la corriente sobre la carga, y otra desventaja es que no todos los SCR tienen el mismo valor de disparo.Figura 21

El circuito de la figura 21 elimina estas dificultades, usa un diodo de cuatro capas, donde si el voltaje de condensador es menor al de disparo del diodo , el diodo, se comporta como un interruptor abierto, si el voltaje del condensador es mayor al voltaje de disparo del diodo, este diodo pasa a conduccin y se comporta como un interruptor cerrado, y la carga del condensador se descarga disparando al SCR en forma segura. El diodo de cuatro capas es mas estable con la temperatura y su voltaje de disparo es mas uniforme en su fabricacin. Otros dispositivos se pueden usar con tal fin, como el SUS (interruptor unilateral de silicio), el SBS (interruptor bilateral de silicio), El DIAC , y el UJT.METODOS ALTERNOS DE CONEXIN DE CARGAS a)Control unidireccional de onda completa, Ver Figura 22. Usa un transformador con derivacin central para un control de potencia en onda completa, es como una fuente de onda completa, cada SCR tiene su circuito de disparo independiente,

Figura22 la corriente en la carga siempre fluye en una direccin, las ondas muestran el voltaje en la carga para un angulo de disparo de 45.

b) Control bidireccional de onda completa Figura 23En este circuito el SCR1 puede dispararse en el semiciclo positivo y el SCR2 en el semiciclo negativo, la corriente en la carga no es unidireccional , hay dos polaridades en la carga, las ondas muestran el voltaje en la carga para un retardo de 120 .c) Circuitos en puente que contiene un SCR Figura 24

Un solo SCR puede controlar ambos semiciclos de una fuente AC, en el semiciclo positivo los diodos A y C se polarizan en directa, cuando el SCR se dispara la lnea de voltaje se aplica en la carga. Cuando la lnea esta en el semiciclo negativo los diodos B y D estn polarizados en directa, y la tensin de lnea se aplica en la carga, y las formas de onda del voltaje en la carga para un angulo de disparo de 120 .En le diagrama 24-b se ve un puente en onda completa con un SCR y la carga en serie con el SCR, la corriente de carga es unidireccional y su forma de onda es la mostrada.

1.-CIRCUITO RC SERIE Se tiene un circuito de control de un motor usando un SCR de Imax 10 Amp. Con corriente de disparo ISC=10 mA. Y disparo VGK = 1.5 v. El motor es de 100 W. de potenciaHallar.a)Hallar la expresin de la corriente de carga al condensador en funcion del tiempo.b) Hallar la expresin del voltaje en el condensador en funcion del tiempo.c)Con los valores de los componentes cuanto de voltaje debe haber en el condensador para disparar al SCRd)En que tiempo desde que comienza a cargarse el condensador se dispara el SCR. Si el potencimetro se reajusta a 100 k. en otro momento a 300k, en Figura 26 otro momento a 500 K, en otro momento a 700 K, y en otro momento a 1 Me)Si V= 220 VRMS, Cuanto es la corriente mxima en la carga de 100w, 500 W 1 KW., con el SCR del dato cuanto de potencia mxima puedo manejar, si deseo manejar una potencia de 10 KW de cuanto amperaje ser el SCR, y si cambio a un motor de 50 KW cuanto ser el amperaje del SCR.f) transcurrido el tiempo de 1 seg. Cuanto es la corriente hacia el condensadorg) transcurrido el tiempo de 0.1 seg. Cuanto es la corriente hacia el condensadorh)graficar la corriente en el tiempo i(t)i) graficar la corriente en el tiempo VC (t)j)buscar en el manual los datos tcnicos de un SCR a 25 AMP. 100 AMP, 300 AMP. Compare su forma fsica de cada uno.

2.-Se tiene la siguiente expresin de la Corriente DC a travs de la carga, donde el angulo es el angulo de disparo y = 180 es el angulo de conduccin. Asumiendo Vmax= 310 v. y una carga RL = 50 ohms. Determine la corriente IDC en el momento que se tiene estos angulos de disparo

Angulo de disparograficar el angulo de disparo y el angulo de conduccin usando la onda alterna de lnea IDC

10

90

120

La corriente eficaz I RMS entregada a la carga se obtiene con la ecuacin

El Voltaje eficaz V RMS entregado a la carga se obtiene con la ecuacin

La Potencia eficaz V RMS entregado a la carga se obtiene con la ecuacin

Hallar la potencia RMS entregada a la carga en los siguientes angulos de disparoAngulo de disparoAngulo de conduccionI RMSV RMSP RMS

10

30

45

90

100

135

150

EL TRANSISTOR UJT Figura 27El transistor (unijunction transistor) oUJTest constituido por tres terminales externos: dos bases y un emisor. En la figura 27.a aparece la estructurafsica. La resistencia entre SIMBOLO las dos bases, RBBo resistenciainterbase, es alta (5 a 10K estando el emisor abierto). Elmodeloequivalente representado en la figura 27.b est constituido por un diodo conectada la unin de dosresistenciasinternas, R1y R2, donde RBB= R1+ R2. Cuando eldiodono conduce, la cada detensinen R1(V1) se puede expresar como: en dondeVB2B1es la diferencia de tensin entre las bases delUJTy es el factor de divisin de tensinconocidocomo relacin intrnseca. Su actuar de un UJTes muy similar al de un SCR. En la figura 28 se ve caractersticas FIGUR.28 elctricasdel dispositivo. Se definen dos puntos crticos: punto de pico o peak-point (Vp, Ip) y punto de valle o valley-point (Vv, Iv), ambos verifican la condicin de dVE/dIE= 0. Estos punto definen tres regiones de operacin: regin de corte, regin de resistencia negativa y regin de saturacin:Regin de corte Aqui latensinde emisor es baja. Lacorrientede emisor es muy baja y se verifica que VE3kV) y grandes corrientes (varios centenares de amperios).. FIGURA 11El transistor MOS utilizados en variacin de velocidad pueden funcionar con frecuencias de algunos centenares de kHz. Se encuentran casi siempre en las fuentes de alimentacin conmutadas en forma de componentes discretos o de circuitos integrados que incluyen la parte de potencia (MOS), y la de los circuitos de mando y regulacin. FIGURA 12El IPM (Intelligent Power Module) Es un conjunto de transistores IGBT. Este mdulo (figura 12) agrupa un puente ondulador con transistores de potencia IGBT y la electrnica de seal para el mando de los semiconductores, en una misma cpsula compacta: 7 componentes IGBT, de los cuales 6 son para el puente ondulador y 1 para el frenado,-los circuitos de mando de los IGBT,-7 diodos de potencia freewheel asociados al IGBT para permitir la circulacin de corriente,- las protecciones contra los cortocircuitos, sobre intensidades y sobre calentamientos,- el aislamiento galvnico de este mdulo. El puente rectificador a diodos es el que con ms frecuencia se coloca en este mdulo. Este montaje de los IGBT es la mejor manera de solucionar la problemtica de su cableado y su control.4.- Variador-regulador para motor de corriente continuaPrincipio general El precursor de los variadores de velocidad para motores a corriente continua es el grupo Ward Leonard. Este grupo, constituido por un motor de arranque, generalmente asncrono y un generador de corriente continua de excitacin regulable, alimenta uno o varios de los motores de corriente continua. La excitacin se regula mediante un dispositivo electromecnico (Amplidyne, Rototrol, Regulex), o mediante un sistema esttico (amplificador magntico o regulador electrnico). Actualmente, este dispositivo ha sido completamente abandonado en beneficio de los variadores de velocidad con semiconductores que efectan de manera esttica las mismas operaciones y con mejores prestaciones. Los variadores de velocidad electrnicos se alimentan con una tensin fija a partir de una red de corriente alterna y proporcionan al motor una tensin continua variable. Un puente de diodos o un puente a tiristores, generalmente monofsico, permite alimentar el circuito de excitacin. El circuito de potencia es un rectificador. Puesto que la tensin a suministrar ha de ser variable, este rectificador debe de ser de tipo controlado, es decir, tener componentes de potencia cuya conduccin pueda ser controlada (tiristores). La variacin de la tensin de salida se obtiene limitando ms o menos el tiempo de conduccin durante cada semiperodo. Cuanto ms se retarda el encendido del tiristor respecto al cero de la semionda, ms se reduce el valor medio de la tensin y por tanto tambin la velocidad del motor (recordemos que la excitacin de un tiristor se corta automticamente cuando la corriente pasa por cero). Para los variadores de baja potencia, o los variadores alimentados por una batera de acumuladores, el circuito de potencia, a veces constituido por transistores de potencia (chopper), hace variar la tensin continua de salida ajustando el tiempo de conduccin. Este modo de funcionamiento se denomina PMW (Pulse Width Modulation = Modulacin por Ancho de Impulso).Regulacin La regulacin consiste en mantener con precisin la velocidad en el valor exigido a pesar de las perturbaciones (variacin del par resistente, de la tensin de alimentacin, de la temperatura). Sin embargo, durante las aceleraciones o en caso de sobrecarga, la intensidad de corriente no debe alcanzar un valor peligroso para el motor o para el dispositivo de alimentacin. Un bucle de regulacin interno del variador mantiene la corriente en un valor aceptable. Este valor se puede regular para permitir el ajuste en funcin de las caractersticas del motor. La velocidad de consigna se fija mediante una seal, analgica o digital, transmitida mediante un bus de terreno o cualquier otro dispositivo que proporcione una tensin imagen de esta velocidad deseada. La referencia puede ser fija o variar durante el curso del ciclo. Estas rampas de aceleracin y deceleracin regulables aplican, de manera progresiva, la tensin de referencia correspondiente a la velocidad deseada; la evolucin de esta rampa puede seguir todas las formas deseables. El ajuste de las rampas define la duracin de la aceleracin y de la deceleracin. En bucle cerrado, la velocidad real se mide permanentemente mediante una dinamo tacomtrica o un generador de impulsos y se compara con la referencia. Si se constata una desviacin, la electrnica de control realiza una correccin de la velocidad. La gama de velocidad se puede extender desde algunas vueltas por minuto hasta la velocidad mxima. En esta horquilla de variacin, se obtienen fcilmente precisiones mejores que 1% con regulacin analgica y mejores del 1/1000 con regulacin digital, teniendo presentes todas las variaciones posibles (vaco/carga, variacin de tensin, de temperatura, etctera). Esta regulacin puede tambin efectuarse a partir de la medida de la tensin del motor, teniendo en cuenta la corriente que lo atraviesa. Las prestaciones son en este caso sensiblemente inferiores, tanto en cuanto a margen de velocidad como en precisin (algunos % entre marcha en vaco y marcha en carga).Inversin del sentido de giro y frenado por recuperacin Para invertir el sentido de marcha, hay que invertir la tensin de inducido. Esto puede realizarse mediante contactores (esta solucin es actualmente obsoleta) o, con semiconductores, por inversin de la polaridad de salida de los variadores de velocidad o de la polaridad de la corriente de excitacin. Esta ltima solucin se utiliza poco debido a la constante de tiempo del inductor. Cuando se desea tener un frenado controlado o cuando la naturaleza de la carga lo impone (par mantenido), hay que reenviar la energa a la red. Durante el frenado, el variador funciona como ondulador; en otras palabras, la potencia que transmite es negativa. Los variadores capaces de efectuar estas dos funciones (inversin y frenado por recuperacin de energa) estn dotados de dos puentes conectados en antiparalelo (figura 13). Cada uno de estos puentes permite invertir la tensin y la corriente as como el signo de la energa que circula entre la red y la carga.Modos de funcionamiento posibles FIGURA 13Funcionamiento llamado a par constante Con excitacin constante, la velocidad del motor es funcin de la tensin aplicada al inducido del motor. La variacin de velocidad es posible desde el paro hasta la tensin nominal del motor que se escogen en funcin de la tensin alterna de alimentacin. El par motor es proporcional a la corriente de inducido y el par nominal de la mquina puede obtenerse de forma continua a cualquier velocidad.Funcionamiento llamado a potencia constante Cuando la mquina se alimenta a tensin nominal, es posible todava aumentar su velocidad, reduciendo la corriente de excitacin. En este caso, el variador de velocidad debe de tener un puente rectificador controlando que alimente el circuito de excitacin. La tensin de inducido se mantiene entonces fija e igual a la tensin nominal y la corriente de excitacin se ajusta para obtener la velocidad deseada. La expresin de la potencia es: P = E.I siendo: E su tensin de alimentacin I la corriente de inducido.Por tanto, la potencia, para una corriente de inducido dada, es constante en toda la gama de velocidad, pero la velocidad mxima queda limitada por dos parmetros:-el lmite mecnico ligado al inducido y en particular, la fuerza centrfuga mxima que puede soportar el colector-las posibilidades de conmutacin de la mquina en general ms restrictivas.Por consiguiente, para escoger un motor adecuadamente, hay que solicitar la informacin del fabricante, en especial en cuanto a su gama de velocidad a potencia constante.5 Convertidor de frecuencia para motor asncronoPrincipio general El convertidor de frecuencia, alimentado a tensin y frecuencia fijas por la red, suministra al motor, en funcin de las exigencias de velocidad, alimentacin en corriente alterna a tensin y frecuencia variables. Para alimentar correctamente un motor asncrono a par constante, sea cual sea la velocidad, es necesario mantener el flujo constante. Por tanto, necesita que la tensin y la frecuencia varen simultneamente y en las mismas proporciones.Constitucin El circuito de potencia est constituido por un rectificador y un ondulador, que a partir de latensin rectificada, produce una tensin de amplitud y frecuencia variables (figura 8). Para respetar la directiva CE Comunidad Europea y las normas asociadas, se coloca un filtro de red aguas arriba del puente rectificador. El rectificador consta generalmente de un puente rectificador de diodos y de un circuito de filtro constituido por uno o varios condensadores en funcin de la potencia. Al conectar el variador, un circuito limitador controla la intensidad. Ciertos convertidores utilizan un puente de tiristores para limitar la corriente de carga de los condensadores de filtro, que se cargan con una tensin de un valor sensiblemente igual al valor de pico de la senoide de red (alrededor de 560 V en una red trifsica de 400 V).El puente ondulador, conectado a estos condensadores, utiliza 6 semiconductores de potencia, normalmente del tipo IGBT y diodos asociados en freewheel. Este tipo de variador est destinado a la alimentacin de los motores asncronos de jaula. As, el Altivar, de la Marca Telemecanique, permite crear una mini-red elctrica a tensin y frecuencia variables capaz de alimentar uno o varios motores en paralelo. Se compone de:- un rectificador con condensadores de filtro,- un ondulador con 6 IGBT y 6 diodos,- un chopper o troceador que est conectado a una resistencia de frenado (en general exterior al equipo),- los circuitos de mando de los transistores IGBT- una unidad de control gobernada por un microprocesador, que asegura el mando del ondulador,- captadores internos para medir la corriente del motor, la tensin continua en bornes de los condensadores y, en ciertos casos, las tensiones presentes en el puente rectificador y en el motor, as como todas las magnitudes necesarias para el control y la proteccin del conjunto motor-variador,- una alimentacin para los circuitos electrnicos de baja intensidad, Esta alimentacin se efecta mediante una fuente conmutada (switching) conectada en los bornes de los condensadores de filtro para aprovechar esta reserva de energa. Esta disposicin permite al Altivar superar las fluctuaciones de la red y los cortes de tensin de corta duracin, lo que le confiere notables prestaciones en presencia de redes muy perturbadas. FIGURA 14 La variacin de velocidad La generacin de la tensin de salida se obtiene por corte de la tensin rectificada por medio de impulsos cuya duracin, por tanto anchura, se modula de manera que la corriente alterna resultante sea lo ms senoidal posible (figura 14). Esta tcnica, conocida bajo el nombre de PWM (Pulse Width Modulation = Modulacin de Ancho de Impulso), condiciona la rotacin regular a aja velocidad y limita los calentamientos. La frecuencia de modulacin que se aplica es un compromiso: debe de ser suficientemente elevada para reducir el rizado de corriente y el ruido acstico en el motor, pero sin que aumenten sensiblemente las prdidas en el puente ondulador y en los semiconductores. La aceleracin y la deceleracin se regula mediante dos rampas.Las protecciones integradas El variador se autoprotege y protege al motor contra calentamientos excesivos desconectndose hasta que se alcanza una temperatura aceptable. Se desconecta tambin con cualquier perturbacin o anomala que pueda alterar el funcionamiento del conjunto, como las sobretensiones o la subtensin, el fallo de una fase de entrada o de salida. En ciertos calibres de rectificadores, el ondulador de troceado, el mando y las protecciones contra los cortocircuitos estn integrados en un nico mdulo IPM Intelligent Power Module. Funcionamiento en U/f Aqu la referencia velocidad impone una frecuencia al ondulador, y por tanto al motor, que es la que determina la velocidad de rotacin. La tensin de alimentacin est en razn directa con la frecuencia. Este funcionamiento se denomina frecuentemente funcionamiento con U/f constante o funcionamiento escalar. Si no se efecta ninguna compensacin, la velocidad real vara con la carga, lo que limita el margen de funcionamiento. Se puede utilizar una compensacin sencilla que tenga en cuenta la impedancia interna del motor y limite la prdida de velocidad en carga.Control vectorial Mediante diversos sistemas electrnicos, utilizando el denominado control vectorial de flujo, se mejoran mucho las prestaciones, (figura 15). La mayor parte de los variadores de velocidad modernos tienen integrada esta funcin en la versin estndar. En la mayor parte de aplicaciones, el conocimiento o valoracin de los parmetros de la mquina permite omitir el captador de velocidad. En este caso, se puede utilizar un motor estndar con la nica condicin de evitar su funcionamiento prolongado a baja velocidad. El variador elabora las informaciones necesarias a partir de las medidas de las magnitudes presentes en los bornes de la mquina (tensin y corriente).

FIGURA 15 Esquema de principio de un variador para control vectorial de flujo.

Este modo de control proporciona prestaciones suficientes sin aumento del coste. Para obtener estos resultados, deben de conocerse ciertos parmetros de la mquina. Al conectar, el operador de la mquina debe, ante todo, introducir las caractersticas de la placa del motor en los parmetros de reglaje del variador, tales como: UNS: tensin nominal del motor, FRS: frecuencia nominal del estator NSP: velocidad nominal NCR: corriente nominal del estator, COS: coseno motor.A partir de estos valores, el variador calcula las caractersticas del rotor: Lm, Tr (Lm: inductancia magntica, Tr: momento del par).Variador con control vectorial de flujo sin captador Al conectarlo, un variador con control vectorial de flujo sin captador (tipo ATV58F -Telemecanique) se autoajusta, lo que le permite determinar los parmetros estatricos Rs y Lf. Esta medida puede hacerse con la carga mecnica acoplada. La duracin vara en funcin de la potencia del motor (1 a 10 s). Estos valores se memorizan y permiten elaborar los criterios de mando. El oscilograma de la figura 16 representa la aceleracin de un motor, cargado a su par nominal, alimentado por un variador sin captador. Hay que indicar que se alcanza rpidamente, tanto el par nominal (menos de 0,2 s) como la linealidad de la aceleracin. La velocidad nominal se alcanza en 0,8 segundos. FIGURA 16 Caractersticas de la conexin de un motor mediante un variador con control vectorial de flujo sin captador (tipo ATV58F - Telemecanique).Variador con control vectorial de flujo con bucle cerrado con captador Otra posibilidad es el control vectorial de flujo con bucle cerrado con captador. Esta aplicacin utiliza la transformacin de Park y permite el control independiente de la corriente (Id) asegurando el flujo en la mquina y la corriente (Iq) asegurando el par (igual al producto Id.Iq). El mando del motor es similar al de un motor de corriente continua.Esta solucin (figura 17) responde adecuadamente a aplicaciones con especiales exigencias como, gran dinmica durante los transitorios, precisin de velocidad y par nominal en el arranque. Segn el tipo de motor, el par nominal transitorio es igual a 2 3 veces el par nominal. Adems, la velocidad mxima llega a alcanzar frecuentemente el doble de la velocidad nominal, o incluso ms si el motor lo permite mecnicamente. Este tipo de control permite tambin bandas pasantes muy elevadas y prestaciones comparables e incluso superiores a las de los mejores variadores de corriente continua. En contrapartida, el motor utilizado no es de construccin estndar debido a la existencia del captador y, si se da el caso, la existencia especial de la ventilacin forzada.

FIGURA 17 Esquema de principio de un variador con control vectorial de flujo con captador.La eleccin de un variador de velocidad depende especialmente de la naturaleza de la carga arrastrada y de las prestaciones previstas. Por tanto, cualquier eleccin o estudio deben de pasar por un anlisis de las exigencias funcionales de los equipos y de las prestaciones exigidas por el motor en s mismo. La documentacin de los fabricantes de variadores de velocidad utiliza siempre trminos como par constante, par variable, potencia constante, control vectorial de flujo, variador reversible... Estos conceptos caracterizan todos los datos necesarios para deducir el tipo de variador el ms adaptado a cada necesidad.Una eleccin incorrecta del variador puede llevar a un funcionamiento decepcionante. Asimismo, hay que tener en cuenta la gama de velocidades necesaria para escoger convenientemente el conjunto variador-motor. Todas las informaciones reunidas en este Cuaderno Tcnico deben ayudar a hacer una buena eleccin al facilitar la consulta de la documentacin de los fabricantes, o, lo que es ms seguro todava, dirigindose con toda la precisin tcnica a los especialistas para seleccionar el variador que ofrezca mejor relacin precio/prestaciones.