ELECTRONICA DE POTENCIA

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1 LTRONIA D POTNIA TIRISTORS Anonio Nachez A4322 LTRONIA IV A lecrónica IV

2 2

3 3 INDI 1. onmuación naural 2. onmuación forzada 3. Méodos de apagado: lasificación 4. lase A: Auoconmuado por carga resonane 5. lase B: Auoconmuado por medio de circuio L.. auxiliar 6. lase : onmuación mediane o L ransfiriendo la corriene a oro irisor 7. lase D: onmuación mediane o L uilizando un SR auxiliar 7.1. ircuio D ircuio D ircuio D.3 8. lase : onmuación mediane una fuene de pulsos exerna 9. lase F: onmuación por la corriene alerna de alimenación

4 4

5 5 SR Méodos de apagado Un irisor es un disposiivo semiconrolado. Si el mismo se encuenra someido a una ensión ánodo cáodo posiiva, ése permanece en la condición de core bloqueando la ensión aplicada hasa que se lo lleve a conducción. onducción que es producida por la aplicación de una señal elécrica adecuada a su erminal de disparo denominado erminal de compuera o de gae. Una vez en el esado de conducción, el erminal de compuera pierde sus posibilidades de conrol, (excepuando a los GTO), pudiendo el irisor reornar a la condición de core, solo si la corriene ánodo cáodo decrece por debajo de el nivel fijado por la corriene de manenimieno IH. l procedimieno de apagado de un irisor consise en consecuencia el permiir que el irisor recupere su capacidad de bloqueo de ensiones direcas mediane écnicas que aseguren que su corriene decrezca por debajo de IH. sas écnicas pueden aprovechar el funcionamieno normal del circuio de aplicación o bien uilizar circuios resonanes L o RL subamoriguados, para forzar la corriene del ririsor a cero, corando en consecuencia al disposiivo. l esudio de las disinas écnicas de conmuación permie analizar las formas de onda de ensión y corriene presenes en cada una de ellas. n general podemos dividir esas écnicas en dos grandes grupos: De conmuación naural De conmuación forzada 1. onmuación naural. Si la ensión de alimenación es del ipo de corriene alerna, la corriene en el irisor pasará nauralmene por cero en un momeno de su operación, y una ensión inversa será aplicada enre sus erminales de ánodo y cáodo. l irisor es en consecuencia apagado por la operación normal del circuio. n ese ipo de circuios el irisor es disparado en cada semiciclo posiivo para conrolar la enrega de energía a la carga. l conrol de poencia podrá ser realizado por conrol de fase, disparando al irisor en odos los semiciclos posiivos y modificando el ángulo de disparo, o bien acuando sobre el número de semiciclos posiivos en los cual el irisor es disparado y realizando siempre su disparo al inicio de cada semiciclo con ángulo de disparo cero. Los circuios alimenados con ensión alerna son el ejemplo ípico de conmuación naural, pero exise oros circuios, donde la nauraleza oscilane de la carga hace que la corriene pueda anularse, aún con alimenación de coninua 2. onmuación forzada. n algunas aplicaciones con irisores, la ensión de alimenación es coninua por lo que la corriene ánodo cáodo del irisor debe ser forzada a cero para su apagado. n operación a muy baja frecuencia podría recurrirse a llaves mecánicas, pero ésas además de su bajo rendimieno presenan el inconveniene adicional de someer al SR a elevados valores de dv/d al cerrar la llave de la figura 1.1 en el circuio (a) y al abrirla en el circuio (b).

6 6 S Rl Rl S ( a ) ( b) Figura 2.1 (a) y (b) s en consecuencia de uso corriene incluir un circuio adicional que fuerce la conmuación del irisor del esado de conducción al de core. 3. Méodos de apagado: lasificación. Disinos méodos de apagado se uilizan en disinos circuios del ipo onveridores e Inversores ales como Recificadores A D Inversores D A onveridores A A onveridor D D D icloconveridor f1 f2 con f2 < f1 icloinversores ombinación de Inversor y icloconveridor hopper D D o D A por conmuación de la corriene de carga Los disinos méodos de conmuación suelen ser clasificados en seis caegorías, correspondiendo el primero y el úlimo de los seis ipos, a conmuación naural y a conmuación forzada losl resanes: lase A lase B lase lase D lase lase F Auoconmuada por carga resonane La carga forma pare del circuio resonane RL Auoconmuado por medio de circuio resonane L adicional La carga no forma pare del circuio resonane onmuado por medio de o L, ransfiriendo la carga a oro SR. Transfiere la corriene de carga onmuación por medio de o L uilizando un SR auxiliar Sin ransferir la corriene de carga onmuado mediane una fuene de pulsos exerna onmuado por la corriene alerna de alimenación La clasificación presenada se ajusa en general a la uilizada en la bibliografía sobre ese ema en cuano a las formas de funcionamieno, aunque las denominaciones puedan diferir según los disinos auores.

7 7 4. lase A: Auoconmuado por carga resonane n ese ipo de conmuación, el irisor es apagado debido al comporamieno naural del circuio conrolado. La propia carga forma pare del circuio resonane, fijando así la frecuencia máxima de operación y las formas de onda. n la figura 4.1a se ha represenado al circuio con carga en paralelo, y en 4.1b con carga en serie. n ese úlimo circuio se ha agregado la reisencia auxiliar Ra para eliminar la enrgía almacenada en la capacidad al corarse el irisor I A Ls Lp s p R Lp R Ls Ra Figuras 4.1 (a) y (b) onsiderando que se encuenra descargado al aplicarse el pulso de disparo y que c>off, en la figura 4.2 se encuenran dibujadas las formas de onda correspondienes al circuio paralelo idealizado con una resisencia de carga R Lp elevada, por lo que el comporamieno del circuio es preponderadamene L. Al encender el irisor, queda formado un circuio resonane amoriguado. Para faciliar las expresiones se supone que R LP es ala o que R LS es baja. Siendo la alimenación consane, el circuio oscilane da origen a una corriene senoidal (i A ) la cual al llegar a π iende a inverirse, corándose la conducción del irisor. l capacior en ese insane iene una ensión de 2 y el irisor queda en consecuencia con una ensión de. se circuio requiere para un correco funcionamieno que el capacior se descargue compleamene, debiendo esperarse hasa T para poder encender nuevamene el irisor.

8 8 Ig Vcp = V rp 2 (1cosw) τ = R IA / Vlp Vlp di/d IA off < c VAH dv/d c Figura 4.2: Formas de ondas correspondienes a una operación L circuio paralelo con R LP ala, o circuio serie con R LS baja Bajo la simplificación de considerar un circuio L, la siguiene ecuación fija la corriene en el circuio / s I(s) = R LS 1 s = S / s = = ) L L = ) L 1 L 2 ( Ls 1) L(s L(s (s ) cuación (1) L L L Aniransformando:

9 9 i ) senw L 1 donde W 0 = L ( = o (2) (3) enonces en el condensador: 1 Vc (s) = I(s) (4) s V () = c 1 1 o i()d = L o senw d = o 1 L ( cosw ) o 1 W 0 o => Vc() = (1 cos w ) (5) Luego para W o = π resula: i () =0 V () =2 o n las gráficas aneriores se han indicado los momenos donde se producen los máximos valores de di/d y dv/d en el circuio, cuyos valores deben ser inferiores a los máximos permiidos. Adicionalmene se ha indicado como c, el iempo que el irisor permanece con ensión negaiva luego de corarse Para que al verse nuevamene someido a ensión direca el irisor pueda bloquearla, c debe ser mayor que el iempo de apagadot OFF mulación Se incluye a coninuación la emulación del circuio realizada con Microap 9. Se presena el circuio emulado con la numeración de sus nodos, y las correspondienes formas de onda producidas por un disparo a los dos milisegundos, alimenado por una ensión de Vcc = 100V y los resanes componenes con los valores indicados. La primer gráfica represena a la ensión del nodo cinco, que se corresponde con la ensión en el condensador 2. Puede apreciarse la variación cosenoidal durane la conducción del irisor, y luego su descarga exponencial. La segunda gráfica corresponde a la evolución de la corriene por la inducancia L1, la que coincide con la del irisor, y presena una evolución igual a un semiciclo de una senoide.

10 10 La ercer gráfica muesra la evolución de la ensión ánodo cáodo del irisor X1. Sopora la ensión direca de la fuene hasa que se lo dispara. nra en conducción durane el iempo que dura el semiciclo senoidal de la corriene de ánodo. Al apagarse, bloquea la ensión inversa resulane de la carga del condensador y de la fuene. Tensión ánodo cáodo que pasa a evolucionar exponencialmene al valor de Vcc, siguiendo la descarga del condensador. Para una mejor visualización de las formas de onda, se ha incluido una segunda gráfica, con las res mismas formas de onda, pero ampliadas. Puede observarse que no hay conrol sobre el iempo de encendido del irisor, el que depende exclusivamene de los valores de L y de la carga. ircuio mulado Formas de Onda

11 11 Pueden observarse que las gráficas del menos coseno y del seno presenan algunas deformaciones, ésas se deben al cálculo realizado por el programa emulador, donde los punos calculados se unen con líneas recas.

12 12 5. lase B: Auoconmuado por medio de circuio L.. auxiliar IL IA L RL IR Figura 5.1: ircuio de apagado lase B La figura 5.1 muesra uno de los circuios de apagado clase B, y la figura 5.2, las ondas de ensiones y corrienes correspondienes. xise una variane de ese circuio que emplea un Reacor Saurable como inducancia variable. Del circuio de la figura anerior puede observarse que la carga es independiene y no forma pare del circuio auxiliar resonane L uilizado para el apagado del irisor. Anes del disparo, con el SR corado, el condensador se carga a la ensión de alimenación. n o se aplica el pulso de disparo Ig, el irisor se enciende y se esablece en la carga la corriene I R = /R L. Además, al conducir el irisor, quedan y L formando un circuio oscilane prácicamene ideal, esableciéndose la corriene senoidal i L que circula por el irisor y cuyo semiciclo se cumple en 1. n consecuencia la corriene oal por el SR es I A = I R I L, corriene senoidal que pasa por cero en A en que se apaga, por haberse anulado la corriene que por él circulaba. l iempo de conducción del irisor (o a A ) queda fijado por el circuio L. l semiciclo siguiene de esa corriene i L es el que apaga al irisor. Para ello es condición necesaria que: I L max > I R Vc V > L R L L < R L

13 13 A su vez, debido a esa misma desigualdad, al apagarse el irisor, el circuio queda ransformado en un circuio serie RL sobreamoriguado. n ese momeno, en bornes del irisor aparece la ensión que iene el condensador compuesa con la de la inducancia. sa ensión compuesa iende a ya que la ensión en la inducancia iende a cero rápidamene por ser la corriene muy amoriguada. Ig I R /R L V /I L /V L Vc I L V L I A /R L V AK 0 1 a Figura 5.2: Formas de ondas del circuio clase B

14 14 n ese circuio, por conrolar una carga resisiva, la di/d en el momeno de esablecerse la conducción iende a infinio. Si la inducancia propia del circuio de carga es insuficiene para limiarla, se debe incorporar una inducancia en serie con la alimenación para limiarla a un valor permiido. También debe conrolarse que la dv/dcuando la ensión ánodo cáodo se hace posiiva sea inferior al valor máximo y que se respee el T OFF mulación Se incluye a coninuación la emulación del circuio realizada con Microap 9. Se presena el circuio emulado con la numeración de sus nodos, y las correspondienes formas de onda producidas por un disparo a los dos milisegundos, alimenado por una ensión de Vcc = 100V y los resanes componenes con los valores indicados. La primera gráfica incluye las corrienes por la carga y la del circuio auxiliar L. Puede apreciarse que la corriene en la carga se maniene esable en el valor fijado por la fuene Vcc y la resisencia de carga R4 hasa que el irisor se apaga. Para lo cual la corriene nea en el irisor debe anularse, lo que ocurre cuando la corriene I L, es negaiva.. Luego del apagado del irisor, puede observarse la exinción, ano de a corriene de carga como en la de I L, según el comporamieno sobreamoriguado del circuio. La segunda gráfica muesra la evolución de la ensión ánodo cáodo del irisor X1. Sopora la ensión direca de la fuene hasa que se lo dispara. nra en conducción durane el iempo que dura la corriene en el irisor Al apagarse, la ensión se compora según el comporamieno sobreamoriguado del circuio, hasa alcanzar nuevamene la ensión de bloqueo direca de Vcc. Las ercera y cuara gráficas corresponden a las evoluciones de las corriene por el capacior 3 y a la inducancia L2. Dada la forma senoidal de la corriene, ambas son cosenoidales, de igual valor y signo opueso durane la conducción del irisor y se exinguen según el comporamieno sobreamoriguado del circuio. Puede observarse que el conrol sobre el iempo de encendido del irisor, depende de los valores de L y del circuio auxiliar de apagado y de la corriene de carga.

15 15 ircuio mulado Formas de Onda

16 16 6. lase : onmuación mediane o L ransfiriendo la corriene a oro irisor La figura 61 muesra un circuio de apagado clase, y la figura 6.2, las ondas de ensiones y corrienes correspondienes. I RL R L R 1 =R L Ti1 Ti2 I A1 Figura 6.1: ircuio de conmuación clase a condensador. n la operación del presene circuio se realizan las siguienes consideraciones: Las resisencias de ánodo de los dos SRs son iguales, R L = R 1 por lo que ambos irisores son de igual capacidad. Los SRs Ti 1 y Ti 2 se encienden en forma alernada mediane los pulsos de disparo Ig1 e Ig2. Durane la conducción de los SRs, ésos conducen la corriene consane correspondiene a su resisencia de ánodo, mas la corriene exponencial de carga del condensador de conmuación, con un τ = R. n funcionamieno permanene, el condensador debe variar su ensión enre y, por lo que la corriene en los irisores presena un pico de I A = 3 / R L. l primer período es diferene debido a que se considera que anes de aplicarse el primer pulso de disparo Ig, el condensador de conmuación se encuenra inicialmene descargado. Al encenderse el SR que se enconraba corado, queda aplicada sobre el que se enconraba previamene conduciendo la ensión almacenada en el capacior. omo esa ensión es negaiva, la corriene de ánodo disminuye por debajo de I H y el irisor se cora. Anes de aplicar un nuevo pulso de disparo, la capacidad debe cargarse compleamene a la ensión por lo que la frecuencia de operación depende de la carga a ravés de la consane de iempo τ = R L

17 17 l iempo de conducción no depende del circuio de apagado como en las configuraciones lases A y B. l iempo de conducción del irisor Ti 1 se exiende hasa que se enciende el Ti 2.,es decir que ese iempo puede ser conrolado a volunad. Ig1/Ig2 Ig1 Ig2 Ig1 Ig2 I RL /R L 2/R L τ = R L I A1 3/R L 2/R L /RL /R L V AK1 V AK2 Vc τ = R 1 τ = R L 1er semiperiodo 2do semiperiodo Arranque Func. Permanene Figura 6.2 Formas de ondas del circuio clase.

18 18 mulación Se incluye a coninuación la emulación del circuio realizada con Microap 9. Se presena el circuio emulado con la numeración de sus nodos, una ensión de alimenación de Vcc = 100V y los resanes componenes con los valores indicados. Las formas de onda se corresponden con las producidas por un primer disparo a los dos milisegundos, seguidos con disparos alernados a los irisores cada 10 milisegundos. Se incluyen dos gráficas. La primera presena las formas de onda de las corrienes en las dos resisencias de carga y de ánodo de los dos irisores. La segunda, incluye las ensiones ánodo cáodo de los dos irisores y finalmene la forma de onda de la ensión sobre el capacior 3. Puede observarse que en ese circuio se iene conrol sobre los iempos de conducción de los irisores, mediane el conrol del momeno de encendido, pero por su forma de operación, la fuene siempre enrega poencia, ya sea a una u ora de las resisencias de carga. ircuio mulado

19 19 Formas de Onda

20 20 7. lase D: onmuación mediane o L uilizando un SR auxiliar 7.1. ircuio D.1 l anerior circuio clase se conviere en clase D si la resisencia R 1 es mayor que R L, de manera que en Ti 2 pueda uilizarse un irisor auxiliar con una corriene de ánodo menor que la de carga. Debe considerarse que el Ti 2, además de la corriene deerminada por R 1 debe poder ambién soporar los picos repeiivos de corriene deerminados por la carga del condensador de conmuación a ravés de la resisencia de carga R L. l principal inconveniene que presena esa configuración es que al aumenarse R 1, el τ =.R 1 será mayor que en el caso anerior y consecuenemene limia la frecuencia de rabajo del circuio ircuio D.2 n la figura 7.1 se encuenra graficado oro circuio de apagado lase D, donde además de un irisor auxiliar se uiliza un circuio combinado con L y. La figura 7.2 coniene las gráficas de las formas de onda correspondienes a ese circuio. Ic I A1 T i1 L T i2 I A2 D I RL R L Figura 7.1: lase D. ircuio combinado con y L. n el circuio de la figura 7.1, es necesario fijar las condiciones iniciales de carga del condensador, mediane el encendiendo en primer lugar que del irisor Ti 2. Luego de encendido, ese irisor se apaga solo por la disminución de su corriene por debajo de I H, por ener al condensador en serie. Al encender el Ti 1, la ensión de queda aplicada al Ti 2 con su ánodo negaivo respeco al cáodo, corándolo. La conducción de Ti 1 y la ensión en da origen a un semiciclo del circuio oscilane L, quedando cargado el condensador a igual ensión con signo opueso al que enía previamene.

21 I g1 /I g2 Ig1 Ig2 Ig1 21 sa inversión de la ensión en permie que al encender nuevamene el Ti 2, la carga del enga la polaridad adecuada para apagar al irisor Ti 1. abe desacar la similiud de ese circuio con los correspondienes a lase B. La diferencia esiba en que a pesar de ser un circuio oscilane L, la presencia del irisor auxiliar Ti 2 permie conrolar el iempo de conducción del irisor principal. sa misma consideración vale para los circuios lase D.3. I RL /R L 2/R L I A1 V AK1 dv/d V AK2 dv/d I A2 Vc τ = R L Ic Figura 7.2: Formas de ondas del circuio lase D de figura 7.1.

22 22 mulación Se incluye a coninuación la emulación del circuio realizada con Microap 9. Se presena el circuio emulado con la numeración de sus nodos, una ensión de alimenación de Vcc = 100V y los resanes componenes con los valores indicados. Las formas de onda se corresponden con las producidas por un primer disparo en el origen del irisor auxiliar, seguido por un disparo del irisor principal a los 25 milisegundos, y luego coninuando con disparos alernados a los irisores en inervalos de 50 milisegundos. Se incluyen dos gráficas. La primera presena, desde arriba hacia abajo, las formas de onda de las corrienes en la resisencia de carga y la de ánodo del irisor principal y len la pare inferior a ensión ánodo cáodo del mismo. La segunda, incluye cuaro formas de onda. Las dos superiores a la ensión ánodo cáodo y corriene del irisor auxiliar. Las dos inferiores a la ensión y corriene en el capacior 1 del circuio auxiliar de apagado. n la ensión del capacior puede apreciarse su variación cosenoidal en uno de sus flacos y exponencial en el oro. La forma cosenoidal se reproduce en la ensión ánodo cáodo del irisor auxiliar. Análogamene, la forma de la corriene por el capacior es senoidal en uno de los casos y exponencial en el oro. Puede observarse que en ese circuio se iene conrol sobre el iempo de conducción del irisor principal, iniciando su conducción mediane un disparo por compuera, y provocando su apagado mediane el disparo del irisor auxilias ircuio mulado

23 23 Formas de Onda

24 ircuio D.3 l circuio represenado en la figura 7.3 presena la venaja de no requerir una secuencia de encendido. Al encenderse Ti 1 circula la corriene de carga por L 1 y R L. Dada las homologías indicadas en los dos arrollamienos, la circulación de la corriene de carga origina la circulación de una corriene por la malla compuesa por L 2, el diodo, y Ti 1 que carga al condensador con la polaridad indicada en la figura. l disparo de Ti 2 apaga a Ti 1 por conraensión, y poseriormene ambién se cora Ti 2 por fala de corriene cuando ermina de cargarse. Un nuevo disparo de Ti 1 esablece enre L 2 y el circuio oscilane, que debido al diodo D, queda reducido a un semiciclo. T i1 T i2 D * * L2 L1 R L Figura 7.3: lase D. ircuio hopper de Jones.

25 25 8. lase : onmuación mediane una fuene de pulsos exerna Una forma básica con una fuene auxiliar a y un ransisor Q 1 en paralelo con el SR se indica en la figura 8.1. l ransisor Q 1 rabaja corado, y luego al recibir un pulso que conrole su base, quede en sauración y aplica una ensión inversa al SR. l ransisor debe poder conducir una corriene superior a la de carga, durane el iempo de apagado del Ti. n consecuencia, el pulso de conrol será de una duración mayor al off del Ti. a Ti Q1 Rl Figura 8.1 Oro circuio de apagado lase puede conformarse con el secundario de un ransformador en serie con el SR, al como se indica en la figura 8.2. Al aplicar un pulso de ensión al primario, la ensión inducida en el secundario, iene que ser suficiene para anular la corriene por el irisor. Ti n 2 n 1 R L Figura 8.2

26 26 l apagado del irisor puede ambién ser realizado por la aplicación de un pulso sobre una inducancia, proveniene de un condensador. n la figura 8.3 se encuenra un circuio correspondiene a esa operación y en la figura 8.4 sus formas de onda. R L L 1 I A1 T i1 T i2 I A2 L 2 2 Figura 8.3: lase Apagado por aplicación de un pulso sobre una inducancia, proveniene de un condensador. Ig Ig1 Ig2 Ig1 I A1 = I RL /R L di/d V AK1 dv/d I A2 V AK2 2 dv/d Vc L 2 L 1 Figura 8.4: Formas de ondas del circuio clase de figura 83.

27 27 9. lase F: onmuación por la corriene alerna de alimenación (de línea) Son los circuios de conmuación naural ya visos, en por ejemplo, aplicaciones de recificación, alimenados con corriene alerna. Una vez encendido, la corriene circula por el irisor mienras enga un valor superior a la corriene de manenimieno. Al quedar la corriene reducida a un valor inferior a ese umbral, el irisor se apaga sin necesidad de circuios adicionales.

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