1 CICLOCONVERSORES

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO LATACUNGA CARRERA DE ELECTRÓNICA CONTROL ELECTRÓNICO DE POTENCIA 1. DATOS: Nombres:    

Calvopiña Osorio Jenny Paola Quinatoa Chicaiza Sabrina Amparo Guagchinga Pinta Carlos Fabián Serna Villarreal Estefanía Monserrath

Nivel: Séptimo Fecha: 22 de abril del 2013 2. TEMA: Cicloconversores, características, funcionamiento, circuitos y formas de onda, para su análisis en el séptimo electrónica ESPEL 3. OBJETIVOS 3.1 Objetivo General Investigar los cicloconversores, características, funcionamiento, circuitos y formas de onda, para su análisis en el séptimo electrónica ESPEL 3.2 Objetivos Específicos  Investigar definición y tipos de cicloconversores  Investigar funcionamiento y características del cicloconversor monofásico/monofásico, trifásico/monoásico y trifásico/trifásico.  Analizar el circuitos de cada tipo de cicloconversor  Desarrollar graficas de formas de onda que nos permiten el mejor entendimiento del tema 4. RESUMEN En este trabajo se presentan las características y el principio de funcionamiento de los cicloconvertidores monofásicos/monofásicos, trifásicos/monofásicos y trifásicos/trifásicos, se exponen los diferentes circuitos y formas de onda de los mismos, se analiza también la forma de reducir la distorsión armónica en los cicloconvertidores. 5. ABSTRACT In this paper, the characteristics and working principle of cycloconverter phase / single phase, three phase / single phase and three phase / three phase, which displays the different circuits and waveforms thereof, is also discussed how to reduce the harmonic distortion in cycloconverters.

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6. MARCO TEÓRICO 6.1 CICLOCONVERSORES Los controladores de voltaje de CA proporcionan un voltaje de salida variable, pero la frecuencia de ese voltaje es fija, y además el contenido de armónicas es alto, en especial en las zonas de bajo voltaje de salida. Se puede obtener un voltaje de salida variable mediante conversiones en dos etapas: CA fija a CD variable y CD variable a CA variable, con frecuencia variable. Sin embargo, los cicloconversores pueden eliminar la necesidad de uno o más convertidores intermedios. Un cicloconversor es un cambiador directo de frecuencias, que convierte corriente alterna con una frecuencia en corriente alterna a otra frecuencia, por conversión CA/CA, sin un enlace intermedio de conexión. La mayor parte de los cicloconversores tiene conmutación natural, y la frecuencia máxima de salida se limita a un valor que sólo es una fracción de la frecuencia de la fuente. En consecuencia, las aplicaciones principales de los cicloconversores son excitadores de motores de CA y baja velocidad, hasta 15,000kW, con frecuencias de 0 a 20Hz. 6.2 CICLOCONVERTIDORES MONOFÁSICOS El principio de funcionamiento de los cicloconversores monofásicos /monofásicos se puede explicar fácilmente con ayuda de la figura 1. Los dos convertidores monofásicos controlados se operan como rectificadores de puente. Sin embargo sus ángulos de retardo son tales que el voltaje de salida de un convertidor es igual y opuesto al del otro convertidor. Si el convertidor P funciona solo, el voltaje promedio de salida es positivo, y si el convertidor N funciona, el voltaje de salida es negativo. La figura 2 muestra el circuito equivalente simplificado del convertidor dual. La figura 3 muestra las formas de onda del voltaje de salida y señales de disparo de los convertidores positivo y negativo; el convertidor positivo está activado durante un tiempo T0/2, y el convertidor negativo funciona durante el tiempo T 0/2. La frecuencia del voltaje de salida es f0=1/ T0. Si 𝛼p es el ángulo de retardo del convertidor positivo, el ángulo de retardo del convertidor positivo, el ángulo de retardo del convertidor negativo es 𝛼n =π - 𝛼p. El voltaje prometido de salida del convertidor positivo es igual y opuesto al del convertidor negativo. = Los valores instantáneos de dos voltajes de salida pueden no ser iguales. Es posible que circulen grandes corrientes armónicas dentro de los convertidores. Se puede eliminar la corriente circulante suprimiendo los pulsos de compuerta al convertidor que no entregue corriente a la carga. Un ciclo convertidor monofásico con un trasformador con conexión central, como el que se ve en la figura 4, tiene un reactor de intergrupo que mantiene un paso continuo de corriente también limita la corriente circulante. Secuencia de disparo. La secuencia de disparo [1] es la siguiente: 2

1. Durante el primer medio periodo de la frecuencia de salida T 0/2, opera el convertidor P como un rectificador controlado normal con ángulo de retardo 𝛼p=𝛼, esto es, disparando T1 y T2 en 𝛼 y disparando T3 yT4 en π+𝛼. 2. Durante el segundo medio periodo T0/2, opera el convertidor N como un rectificador controlado normal con ángulo de retardo 𝛼N= π–𝛼; esto es, disparando T’1 y T’2 en π –𝛼 y disparando T’3 yT’4 en 2π–𝛼.

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Figura 1 Circuito del Cicloconvertidor monofásico/ monofásico

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Figura 2 Circuito Equivalente del Cicloconvertidor monofásico/monofásico

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Nota Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. México: Pearson Educación pág. 528.

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2

Figura 3 Formas de onda para carga resistiva del Cicloconvertidor monofásico/monofásico

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Figura 4 Cicloconvertidor con reactor de intergrupo

6.3 CICLOCONVERTIDORES TRIFÁSICOS El la figura 5 se ve el diagrama del circuito de un cicloconvertidor trifásico/monofásico. Dos convertidores ca-cd son rectificadores controlados trifásicos. La síntesis de la forma de onda para un frecuencia de salida de 12Hz se ve en la figura 6. El convertidor positivo funciona durante la mitad del periodo de frecuencia de salida, y el convertidor negativo durante el otro medio periodo. El análisis de este cicloconvertidor es parecido al de los cicloconvertidores monofásicos/monofásicos.

2

Nota Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. México: Pearson Educación pág. 529.

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En el control de los motores de ca se requiere un voltaje trifásico con una frecuencia variable. El cicloconvertidor de la figura 5 se puede ampliar para dar una salida trifásica, teniendo 6 convertidores trifásicos como se ve en la figura 7. Cada fase consiste en 6 tiristores, como se ve en la figura 8, y se requiere de 18 tiristores. Si se usaran seis convertidores trifásicos de onda completa, se requieren 36 tirisores. Secuencia de disparo. La secuencia de dispar [1] es la siguiente: 1. Durante el primer medio periodo de la frecuencia de salida T 0/2, opera el convertidor P como un rectificador controlado trifásico normal con ángulo de retardo 𝛼p=𝛼. 2. Durante el segundo medio periodo T0/2, opera el convertidor N como un rectificador controlado trifásico normal con ángulo de retardo 𝛼N= π–𝛼.

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Figura 5 Circuito del Cicloconvertidor trifásico/monofásico

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Figura 6 Formas de onda para carga resistiva del cicloconvertidor trifásico/monofásico

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Nota Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. México: Pearson Educación pág. 531.

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4

Figura 7 Esquema del cicloconvertidor trifásico/trifásico

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Figura 8 Cicloconvertidor trifásico/trifásico Fase a

Reducción de Armónicas en la salida En las figuras 3 y 6 se puede observar que el voltaje de salida no es puramente sinusoidal, y en consecuencia contiene armónicas. El voltaje de salida de los cicloconversores se forma, básicamente, por segmentos de voltajes de entrada, y el valor promedio de un segmento depende del ángulo de retardo para ese segmento. Si los ángulos de retardo de los segmentos se variaran en tal forma que los valores promedio de los segmentos correspondieran, tanto como fuera posible, a las variaciones de voltaje sinusoidal que se desee, se podrían minimizar las armónicas en el voltaje de salida. La ecuación 1 indica que el voltaje promedio de salida de un segmento es una función coseno del ángulo de retardo. √ ( 𝛼 ) = Ecuación 1 (Rashid, 2004)

Los ángulos de retardo para segmentos se de la frecuencia de la fuente ( = √ con un voltaje sinusoidal ideal de referencia, a la frecuencia de salida ( = √

) ).

4

Nota Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. México: Pearson Educación pág. 532. 5 Nota Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. México: Pearson Educación pág. 532.

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La figura 9 muestra la generación de señales de disparo para los tiristores del cicloconvertidor de la figura 5. El voltaje máximo promedio de un segmento (que se presenta cuando 𝛼p=0), debe ser igual al valor pico del voltaje de salida; por ejemplo, =

√

=√

Ecuación 2 (Rashid, 2004)

Que determina el valor rms del voltaje de salida =

=

Ecuación 3 (Rashid, 2004)

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ANÁLISIS DE RESULTADOS 

  

8

Se obtiene un voltaje de salida de CA activando el convertidor P durante el primer medio periodo de la frecuencia de salida T 0/2 para producir el ciclo positivo, y el convertidor N durante el segundo medio periodo de la frecuencia de salida T0/2 producir el ciclo negativo. Los cicloconvertidores permiten modificar la frecuencia de la tensión de salida incrementando o reduciendo la tasa de variación de los ángulos de disparo por período de la onda de entrada. El voltaje de salida de los cicloconvertidores se forma, básicamente, por segmentos de voltajes de entrada, y el valor promedio de un segmento depende del ángulo de retardo para ese segmento. Al aumentar la tasa de variación de ángulos de disparo por periodo en la señal de entrada de los convertidores, aumenta la frecuencia de la señal de tensión de salida, mientras que si disminuye se reduce la frecuencia de la señal de tensión de salida

CONCLUSIONES   



Un cicloconversor convierte corriente alterna con una frecuencia en corriente alterna a otra frecuencia, por conversión CA/CA, sin un enlace intermedio de conexión Un controlador por ángulo de fase nos permite regular la tensión eficaz de salida pero no modificar la frecuencia de la señal de tensión de salida La suma de los ángulos de disparo del convertidor N y del convertidor P debe ser de 180o, de lo contrario, se producirá una desigualdad en las tensiones de salida de los convertidores que originarían corrientes circulantes entre ambos que podrían ser de gran intensidad. Si los ángulos de retardo de los segmentos se variaran en tal forma que los valores promedio de los segmentos correspondieran, tanto como fuera posible, 7



  9

a las variaciones de voltaje sinusoidal que se desee, se podrían minimizar las armónicas en el voltaje de salida Un cicloconversor monofásico/monofásico está formado dos convertidores monofásicos controlados que operan como rectificadores de puente. Sin embargo sus ángulos de retardo son tales que el voltaje de salida de un convertidor es igual y opuesto al del otro convertidor. El cicloconvertidor trifásico/trifásico tiene 6 convertidores trifásicos, cada fase consiste en 6 tiristores, y se requiere de 18 tiristores. Si se usaran 6 convertidores trifásicos de onda completa, se requieren 36 tiristores. Una aplicación de los cicloconvertidores está en el control de los motores de ca pues se requiere un voltaje trifásico con una frecuencia variable.

RECOMENDACIONES   



Si se desea una mayor frecuencia en la carga se debe incrementar la tasa de variación de los ángulos de disparo por periodo de la señal de entrada en los conversores P y N Si se desea una menor frecuencia en la carga se debe reducir la tasa de variación de los ángulos de disparo por periodo de la señal de entrada en los conversores PyN A pesar de que la suma de los ángulos de disparo de los conversores N y P sean 180o, la aparición de corrientes circulantes es inevitable, por ello la disposición de la reactancia de conexión es necesaria, al permitir limitar corrientes circulantes simplemente suprimiendo los pulsos de compuerta al convertidor que no sté entregando el voltaje a la carga. Para reducir las armónicas en el voltaje de salida se debe variar los ángulos de retardo de los segmentos en tal forma que el valor promedio de los segmentos correspondiera al voltaje pico de salida.

10 BIBLIOGRAFÍA 

Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. México: Pearson Educación.

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11 TABLA DE CONTENIDOS

Contenido 1.

DATOS: ............................................................................................................................................................. 1

2.

TEMA:................................................................................................................................................................ 1

3.

OBJETIVOS ...................................................................................................................................................... 1 3.1

Objetivo General .........................................................................................................1

3.2

Objetivos Específicos ..................................................................................................1

4.

RESUMEN ........................................................................................................................................................ 1

5.

ABSTRACT ...................................................................................................................................................... 1

6.

MARCO TEÓRICO......................................................................................................................................... 2 6.1

CICLOCONVERSORES .................................................................................................2

6.2

CICLOCONVERTIDORES MONOFÁSICOS ...................................................................2

6.3

CICLOCONVERTIDORES TRIFÁSICOS ........................................................................4

7

ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................................................... 7

9

RECOMENDACIONES................................................................................................................................. 8

10

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................................. 8

11

TABLA DE CONTENIDOS ......................................................................................................................... 9

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ÍNDICE DE FIGURAS................................................................................................................................... 9

12 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Circuito del Cicloconvertidor monofásico/ monofásico ....................................................... 3 Figura 2 Circuito Equivalente del Cicloconvertidor monofásico/monofásico ............................. 3 Figura 3 Formas de onda para carga resistiva del Cicloconvertidor monofásico/monofásico ............................................................................................................................................................................................. 4 Figura 4 Cicloconvertidor con reactor de intergrupo............................................................................... 4 Figura 5 Circuito del Cicloconvertidor trifásico/monofásico ............................................................... 5 Figura 6 Formas de onda para carga resistiva del cicloconvertidor trifásico/monofásico.... 5 Figura 7 Esquema del cicloconvertidor trifásico/trifásico .................................................................... 6 Figura 8 Cicloconvertidor trifásico/trifásico Fase a.................................................................................. 6

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