REGULADORES DE CORRIENTE ALTERNA

Transcripción

1 1 EGULADOES DE COIENTE ALTENA Hernán E. Tacca Laboratoro de Control de Acconamentos, Traccón y Potenca (LABCATYP ) Departamento de Electrónca Facultad de Ingenería (U.B.A.) Antecedentes hstórcos PIMEA PATE Antes de la aparcón de dspostvos electróncos había tres formas prncpales de varar en forma estátca la tensón de corrente alterna aplcada a una carga: transformadores de relacón varable (varacs), reguladores de nduccón y amplfcadores magnétcos. De estos equpos, sólo los últmos carecen por completo de partes móvles. Todos los dspostvos menconados tenen núcleos de herro en sus partes consttutvas esencales, lo que los hace volumnosos y pesados. En la fg. 1 se muestra el prncpo de funconamento de un amplfcador magnétco. Cuando la corrente en el bobnado de control (n C ) es muy pequeña o nula, la nductanca es máxma y la potenca actva en la carga resulta mínma. Por el contraro, cuando la corrente que pasa por el bobnado de control es máxma, el núcleo se satura y la nductanca efectva se vuelve mínma, con lo cual la potenca en la carga resulta máxma. Aunque los amplfcadores magnétcos empleaban frecuentemente confguracones más complejas [1][], todos compartían báscamente las msmas desventajas: Eran pesados y volumnosos. El núcleo de herro trabajaba en la zona de saturacón, con lo cual había calentamento y un zumbdo audble muy molesto que requería un dfícl aslamento acústco pues el aslamento no debía mpedr la dspacón del calor. Además, la potenca en la carga no podía llevarse gradualmente hasta cero. especto de los transformadores de relacón varable, los amplfcadores magnétcos tenían la ventaja de no poseer partes mecáncas móvles pero la gran desventaja de ntroducr potenca reactva, tanto mayor cuanto menor fuese la potenca deseada a la salda. En un amplfcador magnétco la potenca actva en la carga es P = I y la potenca aparente es S = V I sendo V el valor efcaz de la tensón de la red, I el valor efcaz de la corrente dado por I = V Z donde Z = + ( ω L), es la resstenca de carga y L la nductanca varable. Con estas ecuacones el factor de potenca resulta: FP = P S = Z (1). Por otra parte, la máxma potenca dsponble a la salda (con el nductor totalmente saturado) es: P V. Por lo tanto, la potenca de salda normalzada según la potenca máxma dsponble es max = P I P = y susttuyendo I = V Z resulta: = (). eemplazando la ec. en la 1 se Pmax V P max Z obtene: FP = P Pmax (3) ecuacón que lustra claramente las desventajas del amplfcador magnétco. Por ejemplo, para obtener a la salda el 10 % de la potenca máxma es precso aceptar que el factor de potenca sea menor que 3 %. Un transformador de relacón varable no tene estos nconvenentes y no ntroduce dstorsón en la forma de onda de salda (motvo por el cual contnúan sendo utlzados para aplcacones de laboratoro).

2 Trstores y tracs Inmedatamente posteror al transstor de slco surgó como dspostvo práctco el trstor que rápdamente susttuyó a dspostvos de descarga gaseosa en la mayoría de las aplcacones electróncas de potenca para la ndustra [3]. La fg. muestra la estructura nterna de un trstor (a) y su crcuto equvalente smplfcado (b). S el trstor se conecta como se muestra en la fg. 3, una corrente nyectada por el termnal G ncará un fenómeno de puesta en conduccón postvamente realmentado: Al conducr, el transstor npn hace crcular corrente de base por el pnp y éste nyecta más corrente de base en el npn. Así una vez ncada la conduccón serán llevados a conduccón plena. S se suprme la corrente nyectada por G los transstores segurán de todos modos conducendo. En consecuenca, el trstor puede ponerse en conduccón medante el termnal G pero no puede bloquearse medante ese termnal que se denomna compuerta (de allí que la puesta en conduccón se denomne dsparo ). La forma habtual de bloquear un trstor es aprovechar la extncón natural de la corrente propa de los crcutos de corrente alterna, como se muestra en la fg. 4. Durante el semcclo postvo de la tensón de red se puede dsparar el trstor Th(+) el cual conducrá hasta que la corrente pase por cero y allí se bloqueará. Luego, durante el semcclo negatvo podrá hacerse lo msmo con Th(-). En vez de utlzar dos trstores conectados en antparalelo puede emplearse un dspostvo que se comporta en forma smlar: el trac. El trac tene un únco termnal de compuerta capaz de dsparar la conduccón de la corrente prncpal cuando se nyecta corrente de dsparo de cualquer sentdo. Sn embargo, el dspostvo es menos sensble s se ntenta dsparar una corrente prncpal negatva con un mpulso de compuerta postvo (operacón en el cuarto cuadrante) por lo que se aconseja evtar este modo de operacón [3]. egulador monofásco por control de fase En la fg. 4.a se presenta el crcuto y en la 4.b se muestran las formas de onda propas de la operacón con carga resstva [3]. Nótese que la componente fundamental de la corrente atrasa respecto de la tensón de entrada por lo que aparece potenca reactva nductva pese a que la carga es puramente resstva. La potenca actva es: P = V I 1 cosϕ 1 (4) donde I 1 es el valor efcaz de la componente fundamental de la corrente y ϕ 1 el ángulo en que ésta atrasa respecto de la tensón de red. Por su parte, la potenca aparente tomada de la red es: S = VI (5) donde I es el valor efcaz de la corrente total tomada de la red. Para evaluar el grado de dstorsón de la corrente se defne la tasa de dstorsón por componentes armóncas ( Total Harmonc Dstorton ) como: THD = I h I1 donde I h es el valor efcaz de las componentes armóncas de la corrente. De acuerdo con la dentdad de Parseval es I = I h + I, de donde se despeja I h que susttudo en la defncón anteror da: THD = ( I I 1 ) 1 (6). P I Con las expresones 4 y 5 puede obtenerse el factor de potenca: FP = = 1 cosϕ 1 S I cosϕ 1 y susttuyendo I I1 de la ec. 6 resulta: FP = (7). 1+ THD La ec. 7 muestra que el factor de potenca es degradado tanto por la dstorsón de la forma de onda de la corrente como por el desplazamento de fase de la corrente respecto de la tensón. Esto últmo contrbuye a la potenca aparente como potenca reactva mentras que el aporte de la dstorsón se denomna potenca de 1

3 3 deformacón o de dstorsón (D). La expresón de la potenca aparente resulta: S = P + Q + D (8), donde P = V I 1 cosϕ 1, Q = V I 1 senϕ 1 y en consecuenca D puede despejarse como: D = S P Q (9). El factor de potenca puede calcularse con un procedmento smlar al empleado para los amplfcadores magnétcos. La potenca máxma dsponble se obtendrá para conduccón a plena onda, o sea con un ángulo de dsparo de cero grados. Así las formas de onda sobre la carga son senodales y resulta: Pmax = V. En el caso general, la potenca de salda es menor que la máxma y corresponde a un ángulo de dsparo comprenddo entre cero y 180 grados, que produce una tensón efcaz de salda V O (menor que V ). En funcón de la tensón de salda es: P = V (10). Por lo tanto: ( ) O P Pmax = VO V (11) y la corrente efcaz es I = VO (1). Por su parte, utlzando las ecs. 10 y 1 junto con la defncón de potenca aparente, el factor de P VO potenca resulta: FP = = (13). Despejando V O V de la ec. 11 y reemplazando en la 13 se obtene: S V FP = P P max (14), expresón déntca a la 3 válda para los amplfcadores magnétcos. Por lo tanto, desde el punto de vsta del factor de potenca no se ha ganado nada. Las ventajas logradas respecto de la veja tecnología se basan en la elmnacón del núcleo de herro, lo que permte elmnar el zumbdo, dsmnur la dspacón de calor y reducr volumen y peso. La dstorsón armónca resultará mayor y con más contendo de altas frecuencas (más molestas). La confabldad, aunque adecuada, será menor pues un dspostvo semconductor de potenca tene vda meda nferor a un componente magnétco. Con la ntencón de mejorar el factor de potenca puede pensarse en centrar la corrente respecto de la tensón, efectuando los recortes de la forma de onda en forma smétrca como se lustra en la fg. 5. Esto mplca un costo de realzacón mayor (como se apreca en la msma fgura). La llave semconductora requere un transstor y cuatro dodos, ya que el nterruptor debe poder bloquearse antes de que la corrente de carga se anule naturalmente. Es evdente que así la componente fundamental de la corrente estará en fase con la tensón, con lo cual la potenca reactva será nula. Sn embargo, la potenca de salda estará dada por la ec. 10, la ec. 11 segurá sendo válda al gual que la ec. 1 y por lo tanto, el factor de potenca contnuará dado por la ec. 14. Es decr que para gual potenca de salda el factor de potenca será el msmo. Se concluye que cambar la forma del troceado de la tensón puede reducr la potenca reactva pero no puede mejorar el factor de potenca. Evdentemente lo que se gana en potenca reactva se perde como ncremento de la potenca de deformacón (y se encarece nútlmente el regulador). EFEENCIAS [1] H.. Cancagln, Los reactores saturables y su utlzacón como elemento de control, evsta Telegráfca, Ed. Arbó, Bs. Ares, sept [] L. Nosbom, El amplfcador magnétco y el trstor, Marcombo S. A., Barcelona, [3] J. A. Gualda, S. Martínez, P. M. Martínez, Electrónca ndustral: Técncas de potenca, Ed. Marcombo, Barcelona, 199. [4] C. ombaut, G. Séguer,. Bausère, Electrónca de potenca. Los convertdores estátcos de energía: Conversón alterna-alterna, Ed. Gustavo Gl, Barcelona, 1987.

4 4 L V n C I C Fg. 1: Esquema del prncpo de funconamento de un amplfcador magnétco. A A A P N P N G G G K K K (a) (b) (c) MT G MT1 (d) Fg. : Trstor, (a) estructura nterna, (b) crcuto equvalente, (c) símbolo, (d) trac (símbolo y equvalenca aproxmada).

5 5 V CC carga S G G V G G Fg. 3: Dsparo de un trstor en corrente contnua. Th(+) ϕ 1 v ϕ 1 v v Th(-) v 1 t 1 α α v (a) (b) Fg. 4: egulador monofásco por control de fase con carga resstva, (a) crcuto eléctrco, (b) formas de onda (α = ángulo de dsparo).

6 6 v v ψ ψ v 1 1 v v t ψ ψ v (a) (b) Fg. 5: Centrado de la componente fundamental de la corrente, (a) crcuto eléctrco, (b) formas de onda (ψ = ángulo de recorte).

7 7 eguladores todo o nada EGULADOES DE COIENTE ALTENA Hernán E. Tacca Laboratoro de Control de Acconamentos, Traccón y Potenca (LABCATYP ) Departamento de Electrónca Facultad de Ingenería (U.B.A.) SEGUNDA PATE En aquellas aplcacones de calefaccón donde la nerca térmca del sstema a controlar sea grande, puede pensarse en conectar toda la potenca dsponble durante una fraccón de tempo tal que la temperatura se conserve dentro de límtes aceptables. Desde el punto de vsta eléctrco hay dos varantes: el control por cclos enteros y el control por semcclos [4]. Este últmo permte una mayor resolucón en la dosfcacón de la potenca pero no asegura que no haya componente contnua superpuesta (esto no suele afectar a las cargas calefactoras pero es desfavorable s hay transformadores). El factor de potenca puede calcularse fáclmente con ayuda de la fg. 6. La potenca actva es: n V P = (15) donde N es el número total de semcclos del período de troceado y n el número de N semcclos en que el dspostvo nterruptor está cerrado. n V El valor efcaz de la corrente de entrada resulta: I = (16). La potenca máxma dsponble N es: Pmax = V (17) y con las ecs. 15 y 16 el factor de potenca resulta: P P n FP = = = = d (18) donde d se denomna factor de servco ( duty cycle ). S VI N De las ecs. 15, 17 y 18 se obtene: FP = P, expresón ya obtenda para los reguladores Pmax precedentemente estudados. Nuevamente se concluye que desde el punto de vsta del aprovechamento de la red o del transformador de sumnstro nada se ha ganado. Cualquera sea la forma de efectuar el troceado para graduar la potenca de salda, el factor de potenca es sempre el msmo. El control todo o nada presenta ventajas respecto de las perturbacones electromagnétcas emtdas pues, en el caso de cargas resstvas, la corrente crece suavemente al cerrar el nterruptor (y se extngue naturalmente en el cruce por cero). Lamentablemente, el factor de potenca es bajo debdo a la nyeccón de componentes subarmóncas en la red (que son práctcamente mposbles de suprmr pues los fltros necesaros serían ggantescos). Por esta razón, el uso de este tpo de regulacón solamente es aceptable en potencas pequeñas (por ejemplo, en artefactos doméstcos). eguladores con modulacón por ancho de pulso (reguladores PWM) No puede obtenerse un buen factor de potenca s no se elmnan las componentes armóncas medante un fltro ntercalado entre el regulador y la red. El fltro será tanto más pequeño y lvano cuanto más altas sean las frecuencas de las componentes armóncas a suprmr. Para lograr que las componentes armóncas sean de elevada frecuenca, se debe trocear la tensón de la red a alta frecuenca. Esto se muestra en la fg. 7. Para ello se necesta un nterruptor que pueda bloquearse en forma comandada (al gual que en la fg. 5). Ahora el fltro pasabajos L-C, colocado a la entrada, solamente toma de la red la componente fundamental de la corrente y el factor de potenca resulta práctcamente gual a uno.

8 Sn embargo, exstrá un problema s la carga tene nductanca (aún s fuese pequeña) pues la corrente no podría cortarse sn producr una elevada sobretensón. En cada bloqueo habrá una pérdda de energía dspada en forma de calor sobre el dspostvo de potenca que será proporconal a: t Coff f SW ICoff VC max, donde tcoff es el tempo que el dspostvo demora en bloquearse, f SW es la frecuenca de troceado o conmutacón, ICoff es la corrente a nterrumpr en el nstante de la conmutacón y VC max es el máxmo valor de la tensón que surge sobre el dspostvo al bloquearse. Nótese que se desea operar en alta frecuenca por lo que las pérddas serán grandes y su dspacón muy dfícl, por lo cual es necesaro mantener acotado el valor de la sobretensón en el nstante de la conmutacón. Para ello, es precso brndar un camno alternatvo a la corrente antes de bloquear el nterruptor de paso prncpal (en sere). De esta forma, el regulador podría utlzarse con cualquer carga por nductva que ésta fuere. Esto se muestra esquemátcamente en la fg. 8. Al bloquear el nterruptor prncpal S1 se debería cerrar el nterruptor de paso lbre (o rueda lbre) S para permtr que la corrente de la carga sga crculando. Desgracadamente, esto no será factble en el caso de utlzar como llave el crcuto nterruptor de la fg. 7 pues s el transstor de la llave S1 se abre antes de cerrar el transstor de la llave S, se cortará la corrente de la carga. Por el contraro, s se pone en conduccón al transstor de la llave S antes de bloquear al de la llave S1, se estará ponendo en cortocrcuto a la red de almentacón. Por otra parte, en forma práctca no es posble lograr que ambos transstores conmuten nstantáneamente y al msmo tempo. Esto lleva a modfcar el crcuto duplcando el número de transstores. Hay al respecto varas opcones, la de la fg. 9 tene la ventaja de tener un punto común para todos los emsores (lo que faclta el mando de los dspostvos). Ahora es precso detectar el sentdo de la corrente en la carga, lo que puede hacerse medante un resstor detector (o de sensado ) de bajo valor de resstenca, un transformador de corrente o ben, mdendo las tensones sobre los transstores para detectar el sentdo de la corrente a su través. Por ejemplo, s la corrente ndcada en la fg. 9 es postva y está conducendo el transstor 1, se debe poner a conducr al transstor 4 antes de bloquear al 1. (De forma recíproca, s conduce el, se pondrá en conduccón el 3 antes de bloquear el ). Una vez que el transstor 1 se haya bloqueado, se hará conducr smultáneamente al 3 y al 4, en prevsón de que la corrente de carga deba pasar por cero e nvertrse. Al momento de tener que bloquear la llave de rueda lbre (S) se deberá nuevamente detectar el sentdo de la corrente para determnar qué transstor de la llave prncpal (S1) debe ponerse en conduccón prmero. Como se ve, la mejora del factor de potenca se logra al costo de una mayor complcacón de la etapa de potenca y del crcuto de control, complejdad que sería aún mayor en el caso de querer realzar reguladores trfáscos. Para gual potenca, los transstores resultan más costosos que los trstores o los tracs. Nótese además, que se necestan cuatro dodos y transstores de potenca para realzar lo que podría hacerse con un únco trac, de adoptar el esquema más smple de control por fase (renuncando a mejorar el factor de potenca). Para mtgar las nterferencas causadas por las conmutacones, es convenente nsertar otro fltro pasabajos L-C entre el regulador y la carga, con el fn de evtar la crculacón de correntes de alta frecuenca por las líneas de almentacón. Los reguladores conmutados en alta frecuenca requeren un proyecto muy atento a las recomendacones propas de las técncas de compatbldad electromagnétca. Nota: Para no utlzar transstores de potenca pnp, los ndcados en la fg. 9 pueden realzarse como cuasdarlngton P (o sea un transstor de potenca npn en conexón darlngton con un exctador pnp). EFEENCIAS [3] J. A. Gualda, S. Martínez, P. M. Martínez, Electrónca ndustral: Técncas de potenca, Ed. Marcombo, Barcelona, 199. [4] C. ombaut, G. Séguer,. Bausère, Electrónca de potenca. Los convertdores estátcos de energía: Conversón alterna-alterna, Ed. Gustavo Gl, Barcelona,

9 9 T v TIAC t n T / N T / (a) (b) Fg. 6: Control todo o nada (por semcclos enteros), (a) crcuto, (b) corrente en la carga. E L v E C v (a) v v E v E E t (b) Fg. 7: Prncpo de funconamento de un regulador con modulacón por ancho de pulsos (PWM), (a) crcuto, (b) formas de onda.

10 10 E S 1 S L v E S v S Fg. 8: Prncpo de funconamento de un regulador con modulacón por ancho de pulsos (PWM) con nterruptor de rueda lbre (S ). T 1 E L FE (S 1 ) L FS S v E C FE T T 4 (S ) T 3 C FS L v S FILTO DE ENTADA (a) FILTO DE SALIDA exctador PNP transstor de potenca NPN (b) Fg. 9: egulador por modulacón de ancho de pulsos con nterruptor de rueda lbre, realzado con transstores, (a) ejemplo utlzando transstores bpolares, (b) conexón cuas-darlngton P.

11 11 eguladores por pasos EGULADOES DE COIENTE ALTENA Hernán E. Tacca Laboratoro de Control de Acconamentos, Traccón y Potenca (LABCATYP ) Departamento de Electrónca Facultad de Ingenería (U.B.A.) TECEA PATE Cuando la regulacón puede hacerse en forma dscreta, en pasos de tensón sucesvos, es posble conservar la forma de onda senodal tanto en la entrada de red como sobre la carga. Se logra así, un factor de potenca óptmo. La fg. 10 muestra el prncpo de funconamento. Un autotransformador con dversas tomas de tensón se conecta con la relacón de transformacón necesara medante llaves realzadas empleando dspostvos electróncos de potenca [3][5]. Una forma de realzacón senclla es emplear tracs como llaves pero esto plantea un problema de conmutacón. S se dspara el trac de alguna seccón antes de que el que estaba conducendo se bloquee, se pondrá en cortocrcuto al autotransformador. Hay dos solucones alternatvas: La prmera consste en establecer un tempo muerto de salvaguarda para dar lugar al bloqueo del prmer trac antes de dsparar al sguente. La otra opcón es colocar mpedancas lmtadoras en sere que lmten la corrente de cortocrcuto a un valor seguro durante el breve ntervalo de conduccón smultánea de ambos tracs. La prmera alternatva sólo es aplcable s la carga admte mcrocortes (del orden de un semcclo de red) en el sumnstro de tensón. Esto es aceptable en calefactores y motores pero no en cargas crítcas habtuales en nformátca, electromedcna y comuncacones. La segunda opcón, muy utlzada en establzadores doméstcos, empeora la regulacón, el rendmento y oblga a sobredmensonar los tracs. Otra solucón se muestra en la fg. 11. Allí se utlzan trstores en antparalelo en lugar de tracs y se detecta el sentdo de la corrente de salda antes de efectuar una conmutacón, para así proceder de forma smlar a lo vsto con los reguladores conmutados en alta frecuenca. Por ejemplo, s está conducendo el trstor Th1(+) de la llave S1 y debe cerrarse la llave S, se dsparará solamente Th(+). Cuando Th1(+) se bloquee, la corrente será naturalmente conducda por Th(+). Desde luego, este método mplca duplcar la cantdad de dspostvos de potenca necesaros, amén de complcar la realzacón de la undad de control. Debdo a que un autotransformador resulta tanto más pequeño cuanto más próxmas sean las tensones de entrada y de salda, los reguladores por pasos son especalmente adecuados para realzar establzadores de tensón, donde el regulador solamente deberá compensar las varacones de la tensón de la red (usualmente menores de 15 %). En su gran mayoría, los establzadores de tensón destnados hoy a aplcacones de nformátca son absolutamente prescndbles pues las fuentes conmutadas habtuales en computacón admten varacones en la tensón de almentacón mayores que las propas de la red. Para cargas crítcas [5] es más mportante la velocdad de respuesta del establzador para poder compensar varacones mpulsvas de la tensón de la red, cuya duracón suele ser menor que un par de mlsegundos. Nótese que un establzador a tracs solamente puede cambar el paso de tensón en un cruce por cero de la corrente y por ende puede demorar hasta un semcclo de red en reacconar. Cuando la red, además de transtoros mpulsvos, presenta frecuentes mcrocortes (de uno o dos semcclos) una posble solucón es utlzar un establzador ferrorresonante. Éste almacena nternamente sufcente energía como para compensar un mcrocorte. Lamentablemente, comparte las desventajas de los amplfcadores magnétcos ncalmente estudados: funconamento rudoso, bajo rendmento y gran peso y volumen. S lo que se desea es smplemente lograr un regulador por pasos de respuesta rápda, se puede utlzar el esquema de la fg. 1. Ahora los transstores pueden comandarse de la msma manera que en los reguladores

12 conmutados en alta frecuenca y así se logra permutar la corrente de una seccón a otra en pocos mcrosegundos, sendo factble hacerlo varas veces en un msmo semcclo s fuese necesaro. Para efectuar conmutacones seguras es precso detectar el sentdo de crculacón de la corrente en la carga (como ya se explcó para los reguladores modulados en ancho de pulsos). Nótese que el regulador requere dos dodos y dos transstores de potenca por cada paso de regulacón. En consecuenca, esta estructura de conversón resulta muy costosa pues se desaprovechan fuertemente los transstores de potenca (dos trabajan mentras el resto está nactvo). Mejora de la resolucón de tensón Cuando se pretenda una regulacón de tensón muy precsa, serán necesaras muchas dervacones en el bobnado del autotransformador, con el consecuente ncremento del número de dspostvos de potenca requerdos. Para reducr la cantdad de nterruptores necesaros puede utlzarse el esquema de la fg. 13 que ncorpora un bobnado verner cuya tensón es la mtad de la correspondente a un paso. De esta manera, agregando solamente dos llaves (Sv1 y Sv) se duplca la resolucón ya que para cada paso la tensón de salda puede ncrementarse en la magntud correspondente a medo paso, conectando Sv en vez de Sv1. Basándose en este prncpo se propone el esquema de la fg. 14 en donde las seccones secundaras tenen relacones de tensón bnaras (1,, 4, 8, 16,..., etc.) y por consguente con pocos nterruptores puede lograrse una regulacón en pequeños pasos, cerrando los nterruptores adecuados y dejando abertos otros. Un nterruptor Ss cerrado junto con otro Sp aberto adcona la tensón correspondente a la seccón. Por el contraro, s la contrbucón de esa seccón no es deseada, se debe cerrar Sp y abrr Ss para evtar un cortocrcuto secundaro (en la seccón ). S además el regulador debera ser de respuesta rápda, habría que realzar los nterruptores medante dos dodos y sendos transstores de potenca, detectándose el sentdo de la corrente de salda para decdr las conmutacones a realzar (de gual forma que para los reguladores por ancho de pulso). En estos casos suele ser más ventajoso combnar las técncas de regulacón por pasos y regulacón por ancho de pulsos como se ndca en la fg. 15. Allí la modulacón por ancho de pulsos se efectúa entre dos nveles de tensón que serán las cotas máxma y mínma de la tensón de salda. Se reduce así la ampltud de la tensón de alta frecuenca a atenuar, logrando que el fltro de salda resulte más lvano (para el msmo rzado) que el necesaro en el caso de un regulador modulado por ancho de pulsos de tpo drecto (sn autotransformador). EFEENCIAS [3] J. A. Gualda, S. Martínez, P. M. Martínez, Electrónca ndustral: Técncas de potenca, Ed. Marcombo, Barcelona, 199. [4] C. ombaut, G. Séguer,. Bausère, Electrónca de potenca. Los convertdores estátcos de energía: Conversón alterna-alterna, Ed. Gustavo Gl, Barcelona, [5] S. Martínez García, Almentacón de equpos nformátcos y otras cargas crítcas, Ed. McGraw-Hll, Madrd,

13 13 S1 S LLAVES SEMICONDUCTOAS v red S3 Z carga AUTOTANSFOMADO Fg. 10: egulador por pasos (esquema de prncpo). S1 Th1(+) Th1(-) Th(+) UNIDAD DE CONTOL Y DISPAO DE TIISTOES v red S Th(-) Th3(+) sensor de corrente S3 Th3(-) L carga carga Fg. 11: egulador por pasos sn tempo muerto n correntes de cortocrcuto.

14 14 T1(+) UNIDAD DE CONTOL Y COMANDO AISLADO DE T1(-) T(+) TANSISTOES v red T(-) T3(+) sensor de corrente L carga T3(-) carga Fg. 1: egulador por pasos de respuesta rápda. S1 Δ V S (LLAVES SEMICONDUCTOAS) Δ V S3 v red Δ V S4 carga Sv1 ΔV Sv Fg. 13: egulador por pasos con seccón verner.

15 15 Ss5 16 ΔV Sp5 8 ΔV Ss4 Sp4 v red 4 ΔV Ss3 Sp3 carga V O ΔV Ss Sp ΔV Ss1 Sp1 (LLAVES V mn SEMICONDUCTOAS) AUTOTANSFOMADO Fg. 14: egulador por pasos con ncrementos de tensón en relacón bnara (la tensón de salda estará comprendda entre Vmn VO Vmn + 31 ΔV y de acuerdo con la poscón de las llaves ejemplfcada será = V + 19 ΔV V O mn ).

16 16 T 1(+) L FS sensor de corrente para decdr las conmutacones L FE T 1(-) T (-) T (+) C FS L carga v red C FE FILTO DE SALIDA carga FILTO DE ENTADA Fg. 15: egulador por pasos con modulacón por ancho de pulsos.

17 17 EGULADOES DE COIENTE ALTENA Hernán E. Tacca Laboratoro de Control de Acconamentos, Traccón y Potenca (LABCATYP ) Departamento de Electrónca Facultad de Ingenería (U.B.A.) eguladores trfáscos por control de fase CUATA PATE En este caso, los crcutos más comunes son [3][4][7]: 1) La asocacón en estrella de tres reguladores monofáscos (fg. 16), ) El regulador trfásco en estrella sn neutro (fg. 17), 3) La asocacón en trángulo de tres reguladores monofáscos (fg. 18). La prmera confguracón tene la ventaja de permtr un control ndependente de la tensón en cada fase de la carga, lo cual permte balancear el sstema en caso de exstr asmetrías en las tensones de la red o en las resstencas de carga. Tene la desventaja de tener crculacón de corrente por el conductor de neutro. Además, hay componentes armóncas de tercer orden tanto en la carga como en la corrente de entrada y en el neutro. La potenca de conmutacón de los tracs requerdos es: P = V I = V (19), sendo V m la tensón pco de fase e I m = Vm λ la corrente máxma que puede llegar a crcular por un trac. Para el segundo esquema (sn neutro) la potenca de conmutacón es: P SN = V I (0) VT max Tλ m m T m λ T max T max donde es la máxma tensón que puede aparecer sobre un dspostvo y la máxma corrente que puede atravesarlo es I T max. La máxma tensón que puede aparecer sobre un trac es el máxmo valor alcanzado cuando dos tracs conducen y el tercero está bloqueado. Esto se muestra en la fg. 19, de donde se deduce: v vs 1 vt T = vt vs = vt ( v vs ) λ y sendo las tensones trfáscas tales que: λ 3 v + vs + vt = 0, la expresón precedente queda: vt T = vt, por lo que el valor máxmo resulta: V = 3 T V max m (1). La corrente máxma que puede crcular por un trac será (como en el caso anteror): I V () T = max m λ Susttuyendo las ecs. 1 y en la 0 se obtene: elaconando las ecs. 19 y 3 resulta: P T SN 3 PT SN = P Tλ (4). m λ 3 V = (3). O sea que s no se conecta el neutro los dspostvos a utlzar deberán ser de mayor potenca. Además de evtar la crculacón de corrente por el neutro exstrá alguna otra ventaja en no conectarlo? Para hallar la respuesta es precso analzar qué sucede con las componentes armóncas de tercer orden s la fuente trfásca es smétrca y la carga balanceada (mpedancas guales en cada fase).

18 Las componentes armóncas de orden k de la corrente de salda formarán un sstema trfásco smétrco expresado por: = I sen kω t k k S k T m k π = I m k sen k ω t 3 4 π = I m k sen k ω t 3 S k es 3 o múltplo de 3 el sstema resulta homopolar (las tres correntes quedan en fase). S el neutro estuvese conectado las componentes de corrente armónca a su través serían: = + + = 3 I sen k t k = 3, 6, 9... kn k ks kt m k ω No estando conectado el neutro debe ser = 0 lo que mplca: I = 0. Es decr que no puede k N haber crculacón de componentes armóncas de tercer orden por la carga n por la línea. Esto es una mportante ventaja s el regulador se utlza como arrancador de motores de nduccón [6] pues las componentes armóncas de tercer orden no generan potenca motrz y solamente calentan el bobnado. Además no generan fuerza contraelectromotrz nterna, con lo cual pequeñas componentes armóncas de tercer orden presentes en la tensón de almentacón de una bobna de fase generarían una corrente armónca muy mportante. Nótese que en aplcacones de calefaccón esto no tendría mayor mportanca pues en tal caso las componentes armóncas generarían potenca actva, al gual que la fundamental. En el tercer esquema propuesto, la asocacón en trángulo de tres reguladores monofáscos (fg. 18), para que en conduccón a plena onda la potenca sea la msma que en los montajes anterores, debería ser: V m λ = U m Δ = 3Vm Δ, de donde se despeja: = 3 λ Δ (5). La tensón máxma que puede aparecer en un trac será: V = U = 3 V (6) U m 3 Vm Vm y la corrente máxma será: IT = = = (7). max Δ 3 λ 3 λ Con estas expresones la potenca de conmutacón será: P T = VT IT = Vm λ = P Δ max max T λ (8). La potenca de conmutacón resultó gual a la de la asocacón en estrella de tres reguladores monofáscos con neutro. Los dspostvos necesaros serán de gual potenca y por ende de smlar costo. Al gual que en ese caso, habrá crculacón de componentes armóncas de tercer orden por las fases de la carga (con lo cual el montaje no es convenente para realzar arrancadores de motores de nduccón). Sn embargo, al no haber conexón de neutro no habrá componentes armóncas de tercer orden presentes en las correntes de línea (sempre que el sstema esté balanceado). En este caso, las componentes armóncas de tercer orden crculan nternamente por el trángulo generando potenca actva en la carga sn contrbur a la potenca de deformacón de la línea. En consecuenca, cabe esperar que el factor de potenca vsto por la red sea mayor para la asocacón en trángulo que para los otros esquemas. Esto hará que este montaje sea recomendable para aquellas aplcacones de calefaccón en donde las resstencas puedan operar con tensón de línea (380 V). Nótese que tambén en este caso se tene un control desacoplado de los tres reguladores asocados, de forma tal de poder compensar desbalances de la carga o asmetrías de la red. Interruptores trfáscos y control todo o nada En la fg. 0 se muestran varos esquemas de nterruptores trfáscos que podrían utlzarse para efectuar el control todo o nada de cargas trfáscas en aplcacones de calefaccón. El esquema de la fg. 0.a es aplcable tanto para cargas en estrella sn neutro como en trángulo. Tmax m m k m 18

19 Cuando se dspone de acceso a los 6 termnales de la carga, la confguracón b permte tener una referenca de masa común para el dsparo de los dspostvos. El esquema c permte utlzar trstores en vez de tracs y al estar conectados en trángulo, la corrente pasante por los dspostvos es menor. El esquema d permte utlzar trstores con una referenca de masa común para efectuar el dsparo. Este montaje tambén puede utlzarse para control de fase, en cuyo caso recbe el nombre de regulador trfásco mxto. Es muy poco utlzado en esta modaldad debdo al alto contendo armónco de la corrente tomada de la red que ncluye componentes armóncas pares (en vrtud de la asmetría constructva de cada nterruptor de fase). Como ya se menconó, el control todo o nada, por cclos o semcclos enteros no es aceptable para grandes potencas debdo a la cantdad y magntud de las componentes subarmóncas nyectadas a la red. En pequeñas potencas puede emplearse y tene la ventaja de smplfcar tanto la topología de la etapa de potenca como su control. En el caso de los nterruptores y los arrancadores de motores [6] suele puentearse a los dspostvos de potenca medante contactores una vez que los dspostvos están conducendo. Esto evta que las correntes crculen por los dspostvos semconductores reducendo la dspacón de potenca sobre ellos, mejorando la efcenca y la regulacón (al reducr la resstenca sere). Tambén se ncrementa la robustez del sstema ante fallas (que por lo general encontrarán conducendo al contactor). Para abrr el nterruptor prmero se desconecta el contactor y luego se bloquean los dspostvos electróncos. De esta forma se evta el arco entre los contactos, prolongando así la vda útl del contactor. Conclusones En aplcacones de calefaccón de baja potenca, tanto monofáscas como trfáscas, es posble y económcamente atractvo utlzar control todo o nada (o por cclos o semcclos enteros). En aplcacones monofáscas para control de velocdad en motores unversales o de nduccón de muy baja potenca destnados a ventladores y extractores, es convenente utlzar reguladores monofáscos controlados por fase. En aplcacones monofáscas de mayor potenca es aconsejable utlzar reguladores modulados en ancho de pulso (PWM) para lograr correntes de línea compatbles con las líneas monofáscas y satsfacer las exgencas normatvas en cuanto al factor de potenca. Para establzadores de tensón, es mejor emplear reguladores por pasos. En el caso de tener que almentar cargas crítcas, éstos deberán realzarse medante nterruptores rápdos basados en el uso de transstores. Para cargas calefactoras trfáscas de mayor potenca es convenente adoptar la asocacón en trángulo de tres reguladores monofáscos controlados en fase. Para realzar arrancadores de motores de nduccón trfáscos, el esquema aconsejable es el del regulador trfásco en estrella sn neutro. En aplcacones lumnotécncas con lámparas ncandescentes, el montaje más económco y de menor emsón de nterferenca electromagnétca es el regulador monofásco controlado por fase, que puede asocarse en estrella con neutro s la nstalacón eléctrca es trfásca. Para aplcacones de muy alto desempeño destnadas a cargas crítcas, puede utlzarse el regulador por pasos con nterruptores rápdos (basados en transstores) y seccones de pasos bnaros. Cuando se desee una regulacón buena pero con un costo moderado y una gran confabldad, puede elegrse el uso de un establzador ferrorresonante (sempre que el peso, volumen y zumbdo audble sean aceptables) [3][5]. En el caso de hornos ndustrales de resstencas [8] es posble secconar la carga para controlar la potenca sn degradar demasado el factor de potenca [9]. Por últmo, en el caso general de cargas trfáscas de gran potenca puede utlzarse reguladores trfáscos modulados en ancho de pulso, para cumplr con las exgencas de las normas respecto del factor de potenca y del contendo armónco (pero la complejdad propa de estas aplcacones excede el propósto de este trabajo). 19

20 0 EFEENCIAS [1] H.. Cancagln, Los reactores saturables y su utlzacón como elemento de control, evsta Telegráfca, Ed. Arbó, Bs. Ares, sept [] L. Nosbom, El amplfcador magnétco y el trstor, Marcombo S. A., Barcelona, [3] J. A. Gualda, S. Martínez, P. M. Martínez, Electrónca ndustral: Técncas de potenca, Ed. Marcombo, Barcelona, 199. [4] C. ombaut, G. Séguer,. Bausère, Electrónca de potenca. Los convertdores estátcos de energía: Conversón alterna-alterna, Ed. Gustavo Gl, Barcelona, [5] S. Martínez García, Almentacón de equpos nformátcos y otras cargas crítcas, Ed. McGraw-Hll, Madrd, 199. [6] J. M. Merno Azcárraga, Arranque ndustral de motores asíncronos, Ed. McGraw-Hll, Madrd, [7] T. H. Barton, ectfers, cycloconverters and AC controllers, Oxford Scence Publ., Clarendon Press, Oxford, [8] J. Astgarraga Urquza, Hornos ndustrales de resstencas, Ed. McGraw-Hll, Madrd, [9] H. E. Tacca, Improvng AC regulator nput power factor by multplexed asymmetrcal phase-control, EPE Journal (European Power Electroncs Assocaton), vol. 11, no., Bélgca, mayo 001, (ISSN ). λ S S λ T T λ N N Fg. 16: Asocacón en estrella de tres reguladores monofáscos controlados por fase.

21 1 λ S S λ N N T T λ Fg. 17: egulador trfásco sn neutro controlado por fase. S T Fg. 18: Asocacón en trángulo de tres reguladores monofáscos controlados por fase. T λ v T S λ = v v λ S v S T T λ v T v T T Fg. 19: Crcuto equvalente para el cálculo de la tensón máxma posble sobre un trac.

22 S S N S S N T T T T (a) (b) S S S S N T T T T (c) (d) Fg. 0: Interruptores trfáscos, (a) nterruptor con tracs para cargas en estrella o en trángulo, (b) nterruptor con tracs para cargas con fases ndependentes, (c) nterruptor a trstores, (d) nterruptor mxto (versón con cátodos comunes).