Controladores de Potencia Controladores AC AC

Transcripción

1 Controladores AC AC Prof. Alexander Bueno M. 18 de noviembre de 2011 USB

2 Aspectos Generales Los controladores AC-AC tiene como nalidad suministrar tensión y corriente alterna variable a partir de una fuente alterna. Su operación se basa en la conexión y desconexión a intervalos regulares de la fuente sobre la carga. Este convertidor esta conformado por dos semiconductores de potencia colocados en antiparalelo que controlan la conexión de la fuente en cada semi ciclo. Por el tipo de componente de potencia que se utiliza en su construcción se clasican en dos tipo: Controlado (SCR o TRIAC) y Semi controlado (SCR y Diodo). USB 1

3 Figura 1: Controlador AC AC semi controlado USB 2

4 Figura 2: Puente controlado USB 3

5 Aplicaciones Hornos industriales. Hornos de inducción. Control de iluminación. Arranque y control de velocidad de motores de inducción. Control de reactivos. Relés de estado solido. USB 4

6 Puente Semi Controlado Monofásico Figura 3: Tensión del Controlador AC AC semi controlado USB 5

7 Figura 4: Corriente del Controlador AC AC semi controlado USB 6

8 (a) Tensión (b) Corriente Figura 5: Contenido armónico del Controlador AC AC semi controlado USB 7

9 Tensión de 120V ecaz, a 60Hz, una cargade 60Ω y 223mH y un ángulo α de 3π/2. Expresión de Corriente α ωt β i(t) = 2V Z ( ) sin(ωt ϕ) sin(α ϕ)e (ωt α) tan(ϕ) (1) donde: Z = R 2 + (ωl) 2 ϕ = tan ( ) 1 ωl R USB 8

10 Ángulo de Apagado (β) sin(β ϕ) sin(α ϕ)e (β α) tan(ϕ) = 0 (2) Límite de Controlabilidad Como la operación de este convertidor electrónico se basa en la operación no simultánea de las componentes electrónicas, esto se alcanza al cumplir la condición: α + 2π β (3) El límite de controlabilidad del puente se obtiene para el rango de ángulo de encendidos comprendidos en el intervalo: USB 9

11 ϕ α π (4) Tensión Efectiva β α V rms = 1 2π V rms = V 1 2π ( 2V ) 2 sin(ωt) dωt [ ] (5) γ sin(2β) 2 + sin(2α) 2 Corriente Efectiva I rms = 2V Z 1 2π β α [( )] 2 sin(ωt ϕ) sin(α ϕ)e (ωt α) tan(ϕ) dωt (6) El factor de distorsión armónica (THD) para la simulación en tensión es: 0,4582 y en corriente: 0,3265. USB 10

12 La tensión efectiva para este ángulo de disparo es de: 108,1223V y la corriente efectiva es: 1,0014A. Este puente no se puede utilizar para el control de máquinas eléctricas debido a la componente de continua en tensión ocasionaría la saturación del circuito magnético del convertidor electromagnético. USB 11

13 Puente Controlado Monofásico Este puente se construye con dos tiristores en antiparalelo o un triac. La ventaja al utilizar un triac es que debido a que ambos tiristores se fabrican sobre la misma pastilla de silicio sus características son idénticas lo cual original que el control de los semi ciclos positivos y negativos sean idénticos eliminando cualquier componente de continua sobre la carga y fuente. Al utilizar dos tiritores en antiparalelo como sus características no son idénticas sobre la carga pueden aparecer pequeñas diferencias en los semiciclos originando la aparición de una componente DC. USB 12

14 Figura 6: Tensión del Controlador AC AC USB 13

15 Figura 7: Corriente del Controlador AC AC USB 14

16 (a) Tensión (b) Corriente Figura 8: Contenido armónico del Controlador AC AC USB 15

17 Fuente sinusoidal de 120V ecases, a 60Hz, una carga de 60Ω y 223mH y un ángulo α de 3π/2. Entre las características de este puente se puede destacar: los tiristores no conducen simultáneamente, la tensión sobre la carga es la misma de la fuente cuando alguna de las dos componentes se encuentra en conducción y nula cuando están apagadas. La corriente y tensión media sobre la carga y fuente son nulas si la operación del puente es simétrica para ambos semi ciclos. La corriente media sobre cada semiconductor no es nula debido a que su operación es unidireccional y su corriente ecaz por la simetría, corresponde a 1/ 2 de la de la carga. El factor de distorsión armónica (THD) para la simulación en tensión es: 0,7726 y en corriente: 0,2589. USB 16

18 La tensión efectiva para este ángulo de disparo es de: 93,859V y la corriente efectiva es: 0,7496A. Este puente para la misma carga y ángulo de disparo presenta mayor distorsión armónica que el semi controlado. Expresión de Corriente para cada semi ciclo i(t) = 2V Z ( ) sin(ωt ϕ) sin(α ϕ)e (ωt α) tan(ϕ) (7) donde: Z = R 2 + (ωl) 2 ϕ = tan ( ) 1 ωl R USB 17

19 Ángulo de Apagado (β) Límite de Controlabilidad sin(β ϕ) sin(α ϕ)e (β α) tan(ϕ) = 0 (8) El funcionamiento de este convertidor electrónico se basa en la operación no simultánea de las componentes electrónicas, esto se alcanza al cumplir la condición: α + π β (9) El valor límite de controlabilidad se alcanza cuando β = α + π, que correspone al ángulo de apagado crítico para pasar de operación no continuada a continuada. En esta condición si evaluamos la expresión 8, se obtiene: USB 18

20 sin(α + π ϕ) sin(α ϕ)e π tan(ϕ) = 0 sin(α ϕ) sin(α ϕ)etan(ϕ) π = 0 (10) ) sin(ϕ α) (1 + etan(ϕ) π = 0 ) La expresión (1 + etan(ϕ) π para cualqueir valor de ϕ es positiva y esta acotada en el rango [1,2], es decir que para que la expresión 10 se anula en α = ϕ y es negativa para valores de α ϕ indicando que el ángulo de apagado (β) es menor que el ángulo límite de α + π. Esta condición garantiza operación no continuada del puente. El límite de controlabilidad del puente se obtiene para el rango de ángulo de encendidos comprendidos en el intervalo: USB 19

21 ϕ α π (11) Tensión Efectiva V rms = 1 π V rms = V β α ( 2V ) 2 sin(ωt) dωt [ ] (12) γ sin(2β) 2 + sin(2α) 2 1 π Corriente Efectiva I rms = 2V Z 1 π β α [( )] 2 sin(ωt ϕ) sin(α ϕ)e (ωt α) tan(ϕ) dωt (13) La corriente efectiva por cada tiristor se obtiene por superposición como: USB 20

22 I rms = I 2 rms T 1 + I 2 rms T 2 (14) Como cada uno de los tiristores conduce en intervalos de tiempo iguales: I rmst 1 = I rmst 2 = I rms 2 (15) USB 21

23 Conguraciones Adicionales (a) Dos componentes serie (b) Tres componentes serie Figura 9: Conguraciones adicionales del controlador AC - AC monofásico. USB 22

24 Puente Controlado Trifásico Figura 10: Carga en estrella USB 23

25 Figura 11: Carga en delta USB 24

26 Figura 12: Tensión y corriente en la carga USB 25

27 Figura 13: Corriente en las componentes USB 26

28 Tensión efectiva línea - línea de 416V a 60Hz, carga de 10Ω y 30mH y un ángulo de encendido de 1,3963rad. Figura 14: Contenido armónico de la corrinte y tensión para el puente trifásico USB 27

29 El factor de distorsión armónica (THD) para la simulación en tensión es: 0,7202 y en corriente: 0,1580. La tensión efectiva para este ángulo de disparo es de: 322,5936V y la corriente efectiva es: 10,0788A. USB 28

30 Conguración adicional Figura 15: Puente convertidor trifásico para conexión de neutro. USB 29

31 Conguraciones en Delta (a) Figura 16: Puente controlador AC-AC trifásico en delta (carga y convertidor) (b) USB 30

32 Controlador por Modulación de Ancho de Pulso Los esquemas tradicionales de puentes controladores AC - AC construidos con tiristores y triacs, permiten regular el valor efectivo de tensión suministrado en la carga cortocircuitos en intervalos regulares en función del ángulo de disparo (α). Esta estrategia introduce un alto contenido armónico a la red de alimentación como observamos en la secciones pasadas, para las simulaciones realizadas a nivel de puentes monofásicos el factor de distorsión armónica (THD) esta alrededor del 77% para un puente controlado. Adicionalmente las armónicas introducidas en la red, de mayor valor, son inferiores a la décimo tercera armónica (13 va ), estas frecuencias poseen una alta probabilidad de resonancia con compensadores de reactivos pasivos instalados en el sistema o con conguraciones "LC" de los cables o líneas de transmisión. USB 31

33 Un esquema capaz de reducir el valor de las armónicas con mayor probabilidad de resonancia es distribuir el cortocircuito de la carga en el tiempo a través de técnicas de modulación. La técnica de modulación más utilizada para este n, es la de control por ancho de pulso (PWM). El PWM garantiza reducir el valor de las armónica de baja frecuencia en función al número de pulsos empleados en la moduación. Este esquema adicional a la fundamental, introduce mayoritariamente armónicas de altas frecuencias las cuales son rápidamente atenuadas por el sistema. Este puente esta compuesto por componentes bidireccionales de corriente que operan negados entre si, una para la conexión de la carga a la fuente y la otra para el cortocircuito. USB 32

34 Figura 17: Puente controlador AC-AC con control por PWM El análisis de este puente se puede realizar mediante Series de Fourier. La tensión del convertidor (v convertidor (t)) se obtiene de la convolución del tren de USB 33

35 pulso de la modulación (g(t)) y la tensión de la fuente (v f (t)). v convertidor (t) = v carga (t) = g(t) v f (t) (16) donde: g(t) = { 1 kt c < t < (k + δ)t c 0 (k + δ)t c < t < (k + 1)T c k N (17) v f (t) = 2V rms sin(ωt) (18) En la expresión (17) δ corresponde al ciclo de trabajo de la modulación y esta comprendida entre 0 y 1. USB 34

36 La corriente en la carga se puede calcular a partir de la Serie de Fourier de la tensión en la carga como: ( ) i(t) = R e I n e jnωt n=1 (19) donde: I n = 1 N F {v convertidor(t)} n 1 Z carga (n) (20) USB 35

37 (a) Tensión (b) Corriente Figura 18: Tensión y corriente en la carga para un controlador AC-AC por PWM USB 36

38 (a) Tensión (b) Corriente Figura 19: Contenido armónico de tensiones y corrientes para el controlador AC - AC por PWM USB 37

39 Controlador por Modulación de Ancho de Pulso con Filtro LC Figura 20: Puente controlador AC-AC con control por PWM con ltro USB 38

40 Para el puente de la gura (20), se puede calcular la tensión sobre la carga como: ( ) v carga (t) = R e V n e jnωt n=1 (21) donde: V n = 1 N F {v convertidor(t)} n Z carga (n) 1 jnωc f iltro Z carga (n) 1 jnωc f iltro + jnωl f iltro (22) USB 39

41 (a) Tensión (b) Corriente Figura 21: Tensión y corriente en la carga para un controlador AC-AC por PWM con ltro LC USB 40

42 (a) Tensión (b) Corriente Figura 22: Contenido armónico de tensiones y corrientes para el controlador AC - AC por PWM con ltro LC Se puede calcular el rizado de tensión y corriente en la carga en función de la inductancia y capacitancia del ltro como: USB 41

43 i = V rms 1 (1 δ)t c L f iltro v carga = it c δc f iltro (23) USB 42

44 Compensador Estático de Reactivos El compensador estático de reactivos, esta conformado por un condensador en paralelo a un controlador AC - AC que alimenta a un inductor, la potencia reactiva entregada a la barra por el compensador se puede calcular como: Q neta = Q inductor Q capacitor Q neta = V L 2 ωl V barra 2 ωc (24) La tensión efectiva (V L ) sobre el inductor se puede calcular a partir de la expresión 12 con un ángulo de apagado de 2π α como: V L = V [ 2 2α π ] ( ) 1 + etan(ϕ) π (25) USB 43

45 Figura 23: Esquema del compensador estático de reactivos USB 44