troceador de un cuadrante

7/26/2019 Troceador de Un Cuadrante

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Troceador de un cuadrante

Los convertidores estticos de conmutacin forzada tienen su campo de aplicacin en formade troceadores de corriente continua e inversores de circuitos intermedios. Aqu seencuentran especialmente en primer plano las reas de aplicacin que incluyen

accionamientos de corriente continua y trifsica, as como las instalaciones de alimentacinde corriente de emergencia. Los convertidores de conmutacin forzada se disean en formade vlvulas desconectables. Es caracterstico que, en cualquier instante, sea posibleconectar o desconectar la vlvula. De esta manera, por medio de la pulsacin de la tensincontinua U, se puede aplicar a la carga el valor medio de tensin continua U m2con un ajustecontinuo.

Troceador de un cuadrante

Esquemticamente, un troceador de un cuadrante se puede comparar con un interruptor, elcual se conecta o desconecta en tiempos determinados. El valor medio de estas tensiones es

entonces una medida para la modulacin.

Este troceador opera nicamente en un cuadrante, esto es, el sentido de la corriente y latensin no es modificable. Si se conecta un motor de corriente continua, ste gira slo en unadireccin. No es posible realizar una inversin del sentido de giro o un frenado del motor.


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Procedimientos de control

Para variar la tensin continua se aplican los siguientes procedimientos de control:

Modulacin por ancho de impulsos (periodo T constante, ancho de impulsos TE variable) Control de secuencia de impulsos (ancho de impulsos TE constante, frecuencia o periodo T

variable) Control de corriente en dos puntos (mantencin de un ancho constante de variacin de

corriente)

El control de los convertidores modernos de conmutacin forzada se realiza, la mayora delas veces, por medio de la modulacin por ancho de impulsos (PWM)

Generacin de la modulacin por ancho de impulsos

La modulacin por ancho de impulsos se realiza en los circuitos modernos por medio demicrocontroladores o por circuitos integrados especiales (ASICS).

El principio se puede explicar de la siguiente manera:

Un contador cuenta de manera continua desde cero hasta su mximo valor, y desde allvuelve a retornar a cero. Un comparador compara el estado de conteo con el valor deseado


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ajustado; si el valor de conteo es menor, se emite la seal correspondiente al valor lgico 1, ysi es mayor el valor 0.

La siguiente animacin ilustra este principio.

La tensin en el circuito de carga, en la operacin en un cuadrante, se determina,correspondientemente, de acuerdo con la siguiente ecuacin:


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La relacin entre la duracin del periodo y el tiempo de conduccin se denomina en estecaso factor de trabajo. En consecuencia, este factor puede adoptar el valor cero o el valoruno, pero tambin se puede indicar en tanto por ciento.Es caracterstico que, ante la variedad de cargas, las corrientes estn caracterizadas porfunciones exponenciales crecientes y decrecientes. Si el aplanamiento es suficientementeelevado, o si se presentan altas frecuencias de impulsos, las curvas de las corrientes

adoptan una forma triangular. El rango de variacin de corriente i alcanzado se puedecalcular por medio de la ecuacin 3.

(3)

= 0,5 para operacin en un cuadrante

= 1 para operacin en varios cuadrantes

Para la operacin en un cuadrante, con un troceador libre de prdidas, la potencia tomada dela fuente y consumida por la carga es igual a:

(4)


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Troceador de cuatro cuadrantes

Por medio del ordenamiento de cuatro grupos de vlvulas, en circuito puente, seconsigue que el troceador de corriente continua opere en ms de un cuadrante. Eneste caso, se puede realizar una inversin simultnea de corriente y de tensin. Conuna carga resistiva inductiva es posible generar tanto tensiones positivas comonegativas. Slo es posible una realimentacin de la energa si en el circuito de cargase encuentra una fuente alimentadora de energa.

Metas de aprendizaje

Despus de que haya trabajado las siguientes pginas se habr familiarizado con:

el principio de funcionamiento de un troceador de corriente continua con operacin de cuatrocuadrantes bajo diferentes cargas


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el hecho de que el valor medio de tensin se puede ajustar de manera continua siendoposible una inversin de tensin

el hecho de que un choque (bobina de reactancia) produce un aplanamiento de corriente

Troceador de cuatro cuadrantes

Los troceadores con funcionamiento en cuatro cuadrantes se emplean en la industria comoelementos de regulacin de motores de corriente continua. Mediante pulsaciones, permitenun control casi libre de prdidas del motor conectado.

Esquemticamente, el troceador de cuatro cuadrantes se puede comparar con cuatrointerruptores, los cuales se conectan o desconectan en tiempos determinados.

El hecho de que estos troceadores operen en los cuatro cuadrantes implica que el sentido dela corriente y la tensin se puede modificar. Si se conecta un motor de corriente continua,ste puede girar en ambos sentidos. Tambin es posible frenar el motor.


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La tensin del circuito de carga se determina de acuerdo con la siguiente ecuacin:

Operacin en cuatro cuadrantes

(2)

La relacin entre el periodo y el tiempo de conduccin se denomina en este caso factor detrabajo. En consecuencia, este factor puede adoptar valores entre cero y uno, pero tambinse puede indicar en tanto por ciento.Es caracterstico que, ante la variedad de cargas, las corrienes estn caracterizadas por

funciones exponenciales crecientes o decrecientes. Si el aplanamiento es suficientementeelevado, o si se presentan altas frecuencias de impulsos, las curvas de las corrientesadoptan una forma triangular. El rango de variacin de corriente i alcanzado se puedecalcular por medio de la ecuacin 3.

(3)


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=0,5

para operacin en un cuadrante

= 1para operacin en ms de uncuadrante

El circuito cudruple del FET permite la inversin de tensin y de corriente as como el flujo

de energa en los dos sentidos.Para la operacin en cuatro cuadrantes, con un troceador libre de prdidas, la potenciatomada de la fuente y absorbida por la carga es igual a:

(5)

Procedimientos de control

Se distingue entre dos procedimientos

Temporizacin simultnea Temporizacin alternada

Temporizacin simultnea

Para la temporizacin simultnea se configuran los transistores de la siguiente manera:

V3,V2 conectados

V4, V1 desconectados

o

V3,V2 desconectados

V4,V1 conectados

La tensin de salida uaadopta aqu los estados Uzy -Uz.


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Temporizacin alternada

Con esta temporizacin se obtienen tres tipos de estados de conmutacin. La tensin desalida uaadopta los estados Uz, 0 y -Uz. La implementacin de la sucesin de conmutacines algo ms compleja que en el caso de la temporizacin simultnea. No obstante, para la

misma frecuencia de reloj, el rizado de la tensin de salida es menor.


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Inversores

Los inversores transmiten energa desde los circuitos de corriente continua a los decorriente alterna. Funcionan preferentemente con vlvulas desconectables. Seemplean frecuentemente convertidores estticos de conmutacin forzada para elcontrol de la velocidad de giro de mquinas elctricas, o para la regulacin defrecuencia, cuando la alimentacin se suministra directamente de la red, por ejemplo,para adaptar la frecuencia variable del generador de las instalaciones de energaelica a la frecuencia fija de la red. Los inversores se conectan a circuitosintermedios de corriente continua o de tensin continua. Los circuitos intermedios sealimentan, por lo general, por medio puentes de diodos no controlados.


Despus de que haya trabajado las siguientes pginas se habr familiarizado con:


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los fundamentos de los inversores

las reas de aplicacin

el control de frecuencia fundamental

la modulacin por ancho de pulsos (PWM)

la modulacin sinusoidal

Control de frecuencia fundamental

El control de frecuencia fundamental es la manera ms sencilla de generar tensin alterna apartir de tensin continua.

A continuacin se describir ejemplarmente el funcionamiento tomando como base un ramaldel puente.

Funcionamiento

El ramal del puente de estas imgenes se puede representar de manera ideal con dosinterruptores y diodos. En lo relativo al circuito, se producen cuatro estados de conmutacindistintos.


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1. El "interruptor" V1 est cerrado y el "interruptor" V2 abierto. La tensin de salida uU0es igual aUd/2

2. El "interruptor" V1 est abierto y el "interruptor; V2 cerrado. La tensin de salida uU0es igual a-Ud/2

3. Ambos "interruptores", esto es V1 y V2, estn cerrados. Este estado es prohibido, puestoque, al presentarse, el circuito intermedio se corotocircuitara.

4. Ambos "interruptores", esto es V1 y V2, estn abiertos. Este estado se adopta como estado dereposo.

Durante la operacin slo se emplean los estados de conmutacin 1 y 2.

La conexin permite implementar un sencillo circuito de inversor. La tensin de salida es unaseal rectangular con la amplitud Ud/2 .

La frecuencia de salida se ajusta por medio de la frecuencia de reloj.

Este tipo de control se denomina control de frecuencia fundamental.


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La tensin de salida tiene un valor fijo y slo se puede variar modificando la tensin delcircuito intermedio Ud.

De acuerdo con el anlisis de Fourier, las amplitudes de la frecuencia fundamental f1seobtienen a partir de:

Modulacin en amplitud

Funcionamiento

Para variar la amplitud de la tensin de salida se aplica la modulacin por ancho de pulsos(PWM). La tensin de salida se puede ajustar de manera continua desde 0 hasta su valormximo. La amplitud mxima corresponde, en este caso, a la amplitud de control de

frecuencia fundamental.

A continuacin se introducirn algunos conceptos relativos al tema.

Frecuencia de conmutacin fs

Se denomina frecuencia de conmutacin a la frecuencia con que los semiconductores depotencia cambian de estado. Un ciclo de conmutacin es el resultado de una conexin y unadesconexin de los semiconductores de potencia.


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Nmero de ciclos q

Si se relaciona la frecuencia fundamental f1con la frecuencia de conmutacin fs, se obtiene elnmero de impulsos de reloj o de conmutacin.

Temporizacin sincrnica, modulacin sincrnica

Si el nmero de impulsos es un entero mltiplo de la frecuencia fundamental, entonces sehabla de temporizacin sincrnica.Si no se da este caso, se habla de temporizacin asncrona. En la temporizacin asncronase presentan oscilaciones entre la frecuencia fundamental y la portadora.

Las oscilaciones generan prdidas adicionales en la operacin. Si la frecuencia portadora yla de la oscilacin fundamental son cercanas, aparecern estos efectos de maneraperturbadora. A ms tardar cuando la frecuencia portadora sea slo 10 veces mayor que lafrecuencia fundamental se debe pasar a una temporizacin sincrnica. Si la frecuencia dereloj es de 977 Hz, este caso se presentara con 97 Hz.

Modulacin de seales

Con los procedimientos mostrados hasta ahora, las magnitudes de salida tienen formarectangular. Presentan, adems, un alto contenido de armnicos. Para controlar de maneraptima los motores, se necesitan corrientes sinusoidales.

Si se ampla la modulacin en amplitud hacia un control sinusoidal variable en el tiempo, seobtiene una oscilacin fundamental sinusoidal de la tensin de salida.

Funcionamiento

Valor medio breve

Aqu se divide la oscilacin fundamental en pequeos segmentos temporales. Estossegmentos corresponden al periodo de la frecuencia de conmutacin. Para cada segmentotemporal se indica ahora el valor medio de la tensin sinusoidal. Como tensin de salida seobtiene una seal sinusoidal modulada por ancho de pulso (PWM). Mientras ms elevadasea la frecuencia de conmutacin, se podr representar de mejor manera la forma de lacurva de la tensin sinusoidal.


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Frecuencia de conmutacin fS Periodo TS

977 Hz 1023s

7810 Hz 128s

La forma de la curva slo se puede reconocer si se observa nicamente la ondafundamental. La corriente de salida en el motor (carga resistiva inductiva) es aplanada por lacomponente inductiva, de manera que adopta una forma sinusoidal.

Grado de modulacin M

La tensin de salida se puede dividir en componente de oscilacin fundamental ycomponente de distorsin. El valor eficaz de la oscilacin fundamental es la magnitud til.ste transmite la potencia y genera el par de giro en las mquinas de campo giratorio. Estatensin se describe por medio de la funcin de modulacin m.


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Mes el grado de modulacin. ste determina el control del inversor.

es el desfase de la onda fundamental

es la frecuencia angular de la frecuencia fundamental f1

Grado de control A

Si se relaciona el grado de modulacin con la amplitud de la oscilacin fundamental, en elcontrol de frecuencia fundamental, se obtiene el grado de control A

En la modulacin sinusoidal, el valor pico de la amplitud no puede ser mayor que la mitad dela tensin del circuito intermedio Ud/2, pues, de lo contrario, la seal se distorsiona.

En un inversor monofsico, el grado mximo de control se obtiene a partir de


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Inversores de corriente trifsica

Los inversores transmiten energa desde los circuitos de corriente continua a los decorriente alterna. Funcionan preferentemente con vlvulas desconectables. Seemplean frecuentemente convertidores estticos de conmutacin forzada para elcontrol de la velocidad de giro de mquinas elctricas, o para la regulacin de

frecuencia, cuando la alimentacin se suministra directamente de la red, por ejemplo,para adaptar la frecuencia variable del generador de las instalaciones de energaelica a la frecuencia fija de la red. Los inversores se conectan a circuitosintermedios de corriente continua o de tensin continua. Los circuitos intermedios sealimentan, por lo general, por medio puentes de diodos no controlados.


Despus de que haya trabajado las siguientes pginas se habr familiarizado con lossiguientes temas:

Inversores de corriente trifsica

Conmutacin en bloque

Modulacin sinusoidal

Modulacin supersinusoidal / trapezoidal

Modulacin por vector de espacio


Los procedimientos mostrados hasta ahora se limitaban a un sistema monofsico.

Si se ampla el circuito a tres semipuentes, entonces se puede montar un sistema decorriente trifsica. La variante ms sencilla de conmutacin es la de control de frecuenciafundamental trifsica o conmutacin en bloque.

Funcionamiento

Los tres semipuentes simulan un sistema de corriente trifsica en el que cada uno de ellos esresponsable de una de las fases. Durante la semionda positiva, el transistor superior entra enestado de conduccin, y durante la semionda negativa lo hace el transistor inferior. Las tresfases tienen un desfase de 120 y 240.

De la correspondiente excitacin, bajo carga simtrica, se generan las siguientes tensionesde salida.


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Anlisis de las tensiones de salida

Tomando como ejemplo un estado de conmutacin, se mostrar de manera ejemplar cmose genera la tensin de salida.

Con el estado de conmutacin S1 se establecen las siguientes relaciones:

Los transistores V1, V4 y V5 se encuentran en estado de conduccin.

En el siguiente paso, se simplifica el diagrama de circuito. No se representan los transistoresabiertos puesto que estos no ejercen ninguna influencia sobre el circuito.


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La siguiente simplificacin consiste en el remplazo de los transistores que se encuentran enestado de conduccin por una lnea conductora. Se obtiene como resultado una red pasiva.

Si se asume una carga simtrica, se obtienen las siguientes tensiones:

UUY= 1/3 Ud

UVY= -2/3 Ud

UWY= 1/3 Ud

Las tensiones se pueden determinar bajo el mismo principio en lo referente a las otras etapasde conmutacin.

Se obtienen las mismas formas de seales que se mostraron en la pgina anterior.

Las tensiones entre fases UUV

, UVW

y UWU

se obtienen a partir de la substraccin de lastensiones.

La siguiente tabla muestra el circuito equivalente de los estados individuales de conmutacin.

Estados de conmutacin

V5/V6 V3/V4 V1/V2

1 1 0 1


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2 0 0 1

3 0 1 1

4 0 1 0

5 1 1 0

6 1 0 0

Grado de modulacin

El grado de modulacin en la conmutacin en bloque trifsica es igual a 1.

Modulacin sinusoidal


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En lo relativo a la tecnologa de circuitos, la conmutacin en bloque se puede implementarsencillamente. La gran desventaja la constituye la tensin de forma rectangular y, por tanto,el elevado contenido de armnicos que esto conlleva. Cuando las mquinas se encuentranen funcionamiento, esto se vuelve especialmente notorio debido a un comportamiento demarcha no redondo, elevada presencia de ruidos y altas prdidas. Aqu sirve de ayuda lamodulacin sinusoidal de la tensin de salida por medio del control por ancho de pulsos

(PWM).

Funcionamiento

Los convertidores estticos modernos trabaja en modo digital. El siguiente diagrama debloques muestra el funcionamiento de manera esquemtica.

La forma de la seal de salida se almacena en valores discretos, durante un periodo, en unamemoria (en este caso EPROM). Con un conteo progresivo de la entrada direccionadora seconduce este valor discreto a un multiplicador. ste multiplica la forma de la curva por elfactor de modulacin. Aqu se determina el valor de la amplitud de salida. Un comparadordigital conectado posteriormente compara el valor con el del contador UP/DOWN. Comoresultado se obtiene la seal PWM.

La frecuencia de la oscilacin fundamental se determina por medio de la frecuencia f1y lacantidad de puntos de "apoyo" de la seal.

La frecuencia de reloj se determina por medio de la frecuencia f2.

El flip flop sirve para la sincronizacin de ambas seales.

Grado de modulacin

Para evitar una sobremodulacin, la amplitud de la tensin de salida no debe ser mayor a latensin del circuito intermedio. De esta manera se obtiene el mximo grado de modulacin.


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Modulacin supersinusoidal

Por medio de la modulacin sinusoidal se alcanza un grado de modulacin deaproximadamente 0,9; para arribar a un control mayor, libre de armnicos elevados, seemplea la modulacin supersinusoidal o trapezoidal.

Funcionamiento

A las magnitudes sinusoidales prescritas se agrega una seal con el triple de la frecuencia yun sexto de la amplitud de la magnitud prescrita. En las tensiones entre fase de una cargasimtrica, slo la oscilacin fundamental es eficaz.

Grado de modulacin

Durante la modulacin supersinusoidal, el grado de modulacin es de 0,91.

Modulacin por vector de espacio

La representacin del vector de espacio constituye otra base para la generacin de tensintrifsica.Un vector indica la posicin en el espacio y, por medio de su longitud, se representa laintensidad de la magnitud fsica.


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Origen del modelo del vector de espacio

Si se observa un motor se vern tres bobinas desplazadas espacialmente en 120.

Los componentes de potencia del convertidor esttico constan de 3 ramales y 6semiconductores de potencia. Estos pueden adoptar, en total, 8 estados de conmutacin.

En cada bobina se puede encontrar tanto una corriente positiva como una negativa. Si estose transporta al plano complejo, se obtiene un hexgono de lados iguales, en cuyo centro se

encuentran dos vectores cero. Estos aparecen cuando, simultneamente, todos lossemiconductores de potencia se conmutan al polo positivo o negativo del circuito intermedio.Por medio de pulsaciones, se puede excitar cualquier punto que se encuentre dentro delhexgono por medio del indicador .


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La mxima longitud de un vector es:

Si opera la temporizacin de frecuencia fundamental, el vector de tensin pasa regularmentepor los seis vectores bsicos, mantenindose la misma cantidad de tiempo en cada etapa.

Para que se obtenga una curva sinusoidal, el vector debe recorrer una rbita circular. Losvalores intermedios se alcanzan por medio de los impulsos de los vectores contiguos. Lamagnitud de la rbita y, por tanto, la amplitud de la tensin de salida, se puede ajustar pormedio de los vectores cero.

La longitud mxima de la modulacin por vector de espacio es de:

En la modulacin por vector de espacio, el grado de modulacin es 0,91.


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La modulacin por vector de espacio permite, cuando se presentan altas frecuencias de reloj,la generacin de corrientes sinusoidales con escasos componentes armnicos. Gracias a laexcitacin, las prdidas son pequeas y el ruido del motor escaso.

Por medio de la modulacin por vector de espacio se pueden inducir corrientes en lasmquina de campo giratorio. La modulacin por vector de espacio permite, de esta manera,

el control automtico de mquinas orientado hacia los campos elctricos.

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