Cicloconvertidores

Electricidad. Energía. Tensión. Corriente de circulación. Conmutación. Frecuencia y amplitud. Modulación. Generador

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Cicloconvertidores

Índice:

  • Introducción…………………………………………………………… Pág. 3

  • Principio de funcionamiento

  • Repaso de los rectificadores……………………………………… Pág. 3

  • Variación periódica de la tensión de salida………………………. Pág. 5

  • Influencia del índice de pulsación………………………………... Pág. 7

  • Montajes utilizados…………………………………………………….. Pág. 8

  • Cicloconvertidores de índice de pulsación igual a 3……………… Pág. 9

  • Cicloconvertidores de índice de pulsación igual a 6……………… Pág. 11

  • Corriente de circulación…………………………………………… Pág.11

  • Estudio de las tensiones de salida

  • Elaboración de las tensiones de salida……………………………. Pág. 12

  • Estado de reposo……………………………………………. Pág. 12

  • Desfase de las funciones de existencia…………………….. Pág. 14

  • Modulación del desfase de las funciones de existencia……. Pág. 15

  • Realización de la ley de control…………………………… Pág. 15

  • Funciones de conducción de los rectificadores……………. Pág. 18

  • Aplicación a los demás montajes………………………….. Pág. 18

  • 4.2 Características de la tensión de salida……………………………. Pág. 19

  • Estudio de las corrientes de entrada

  • Forma de onda de las corrientes……………………………………. Pág. 20

  • 6. Aplicaciones……………………………………………………………... Pág. 24

    1. Introducción

    Un cicloconvertidor es un variador de frecuencia que funciona con conmutación natural. Las tensiones alternas de salidas se obtienen por una sucesión de fragmentos de las tensiones alternas de entrada. Dados el valor y la frecuencia de las tensiones de entrada, el cicloconvertidor permite cambiar de forma continua el valor y la frecuencia de las tensiones de salida. Sin embargo, el máximo de la frecuencia de salida es claramente inferior a la frecuencia de entrada; se trata por lo tanto de un demultiplicador de frecuencia con relación variable de forma continua.

    Estos convertidores utilizan las mismas conexiones de tiristores que los rectificadores reversibles en corriente y tensión.

    Después de presentar el principio y los esquemas mas utilizados, mostraremos como, a partir de las tensiones de entrada, se construyen las tensiones de salida y estudiaremos las principales características de las mismas. A continuación veremos como, a partir de las corrientes de salida, se pasa a las corrientes de entrada. Acabaremos con algunas observaciones sobre las aplicaciones de estos convertidores.

    Para el estudio de las tensiones y de las corrientes, se suponen perfectos la fuente, los semiconductores y la carga:

    • Se supone que la fuente aplicada a la entrada del convertidor es un sistema equilibrado de tensiones senoidales y que su impedancia interna es nula.

    • Puesto que se desprecia la impedancia de la fuente y se suponen los tiristores perfectos, las conmutaciones son instantáneas y no hay caída de tensión en carga.

    • La carga de las corrientes alternas de salida se supone que absorbe un sistema equilibrado de corrientes senoidales.

    2. Principio de funcionamiento

    2.1 Repaso de los rectificadores

    Un rectificador con tiristores, de índice de pulsación igual a p, suministra una tensión rectificada u'd formada por p fragmentos idénticos de senoide, por cada período T de las tensiones de alimentación. El valor medio U'd de la tensión u'd es proporcional al coseno del ángulo 'Cicloconvertidores'
    de retardo al cebado de los tiristores:

    'Cicloconvertidores'

    Si se varía 'Cicloconvertidores'
    de cero a desde cero hasta π-β, siendo β el ángulo de seguridad, la tensión U'd varía entre Udo y un valor próximo a -Udo. Pero la corriente que puede suministrar el rectificador es unidireccional.

    Para poder invertir la corriente de salida, se montan en antiparalelo dos rectificadores (Fig. 1). El primero, llamado rectificador directo o positivo, suministra la corriente i' a la carga cuando esta solicita una corriente positiva. El segundo, llamado rectificador inverso o negativo, suministra la corriente i' cuando esta es negativa.

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 1

    Para que la tensión v' en bornes de la carga tenga el miso valor medio, cualquiera que sea el rectificador que la alimenta, se dan ángulos de control α1 y α2 de los dos rectificadores valores complementarios:

    'Cicloconvertidores'

    Si bien la suma de las tensiones 'Cicloconvertidores'
    en el circuito formado por los rectificadores tiene un valor medio nulo, esta suma presenta una componente alterna.

    En los montajes con corriente de circulación, se ceban de forma permanente los tiristores de los dos rectificadores. Resulta de ello una corriente de circulación de la que se limita su valor mediante inductancias.

    En los montajes sin corriente de circulación, solo se ceban los tiristores del rectificador que suministra la corriente i'solicitada por la carga y se inhibe el control de los otros. Una “lógica de inversión” aplica o suprime el control de uno u otro de los grupos de tiristores según el sentido de la corriente i'. Resulta de ello un pequeño “tiempo muerto” durante el cual no conduce ningún rectificador, en cada paso de i' por cero.

    2.2 Variación periódica de la tensión de salida

    El valor medio de la tensión de salida suministrada por el conjunto de los dos rectificadores en antiparalelo puede resultar con una componente alterna distinta de cero, modulando de forma periódica sus ángulos de control. Así para obtener una salida v' senoidal, de frecuencia angular w' y de amplitud V'2, se deben de variar los ángulos de control α1 y α2 para obtener:

    'Cicloconvertidores'

    Por la amplitud de las variaciones de 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    de un lado y otro de cero, se regula la amplitud de la tensión de salida.

    La pulsación de esta tensión es igual a la pulsación de 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    .

    Para entender este principio de funcionamiento veamos en la siguiente figura (Fig. 2) la tensión v'w deseada y la corriente i' que correspondería a una carga inductiva.

    'Cicloconvertidores'

    Durante el intervalo t1-t3 la corriente i' por la carga es positiva, por tanto conduce el rectificador positivo (cátodos unidos) y la tensión de salida v' corresponde a U'd1. Dentro de este intervalo se pueden distinguir dos modos de funcionamiento:

    • Desde t1 a t2: v' es positiva, lo cual indica que el rectificador 1 funciona como rectificador.

    • Desde t2 a t3: v' es negativo y por tanto el rectificador 1 funcionará como ondulador.

    Durante el intervalo t3-t5 la corriente en la carga es negativa, siendo esta suministrada por el rectificador negativo (ánodos unidos). Por tanto durante este intervalo la tensión de salida v' será igual a -U'd2. Al igual que con el intervalo anterior se pueden distinguir dos modos de funcionamiento:

    • Desde t3 a t4: U'd2 es positiva, lo cual indica el funcionamiento del rectificador 2 en modo rectificador.

    • Desde t4 a t5: U'd2 es negativa, funcionando el rectificador 2 como ondulador.

    En realidad, la tensión v'w es la componente fundamental de la tensión de salida real. En la figura anterior se muestran las formas de onda correspondientes a un montaje de dos rectificadores trifásicos de media onda en antiparalelo, constituyendo un ejemplo sencillo de un cicloconversor trifásico-monofásico.

    Dicho montaje se corresponde con el esquema de la siguiente figura. (Fig. 3)

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 3

    En las formas de onda mostradas anteriormente, en la parte (b), se indica cómo la tensión de salida v'w se aproxima a la tensión del primer rectificador U'd1. Si α fuera nulo, u'd1a estaría formado por las cúspides de las senoides de 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    .

    Ahora modulando los ángulos de cebado α de los tres tiristores, se obtienen arcos de senoides cuya valor medio dan como resultante el valor de v'w. De igual manera en la parte (c) se muestra la evolución de la tensión del rectificador 2 frente a la tensión de salida deseada v'w. Por último en la parte (d) de la ilustración aparece realmente la tensión en bornes de la carga, donde su componente fundamental si que coincide con la tensión deseada de frecuencia angular w', menor que w y amplitud V'√2 menor que V√2. De igual forma es evidente que el inconveniente de este ejemplo sencillo, reside en el elevado nivel de armónicos de la tensión en bornes de la carga.

    2.3 Influencia del índice de pulsación

    Recordando las características de los rectificadores, se obtenía que la tensión de salida era tanto más próxima a la tensión continua sin ondulación, cuanto mayor es el índice p de pulsación del rectificador. Ahora con el cicloconversor, cuanto mayor sea el índice de pulsación p de los rectificadores que lo componen, mejor será la aproximación de la tensión de salida a la tensión senoidal pura deseada. Este hecho queda reflejado en la siguiente ilustración (Fig. 4) donde se muestra la tensión de salida teórica (caso a) y las tensiones para el caso de un índice de pulsación de 6 (caso b) y para un índice igual a 12 (caso c).

    El índice de pulsación es la principal característica de la calidad de las señales suministradas por los convertidores.

    Además, siempre como para los rectificadores, los armónicos de las corrientes de entrada tienen una importancia tanto menor cuanto mas reducidos son los armónicos de las tensiones de salida, por lo tanto cuanto mayor es el índice de pulsación.

    'Cicloconvertidores'

    Fig.4

    3. Montajes utilizados

    Los cicloconvertidores por lo general están alimentados por una fuente trifásica, alternador o red industrial. A menudo se utiliza un transformador para adaptar el valor de las tensiones de salida al de la fuente; este transformador puede ser multiplicador del número de fases.

    Si el cicloconvertidor es monofásico, es decir que solo suministra una tensión de salida, se utilizan los esquemas de conexión de dos rectificadores en antiparalelo.

    La mayor parte de los cicloconvertidores son trifásicos, es decir, suministran tres tensiones cuyos fundamentales están desfasados 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    en la escala de la pulsación 'Cicloconvertidores'
    de las tensiones de salida. Hacen falta tres conjuntos análogos al que permite generar una tensión v'; las tres fases de la carga pueden dejarse aisladas o conectarlas en estrella o en triangulo.

    3.1 Cicloconvertidores de índice de pulsación igual a 3

    Para algunas aplicaciones puede resultar suficiente un índice de pulsación igual a 3, por consiguiente puede bastar con rectificadores de media onda.

    • Con alimentación monofásica, el montaje es entonces el representado en la figura. En este caso es necesario un transformador.

    'Cicloconvertidores'

    • Con alimentación trifásica, puede darse un punto neutro común a las tres fases de la carga y suprimir el conductor neutro; en este caso el transformador no es indispensable. (Fig. 5.a)

    Si los puntos neutros estuvieran conectados, las tensiones v'A, v'B y v'C en bornes de la carga estarían formadas por fragmentos de las senoides 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    de entrada. La supresión del conductor neutro impide que la componente homopolar de las tensiones de salida dé lugar a una corriente. Las tensiones en bornes de las fases de la carga resultan:

    'Cicloconvertidores'

    Por supuesto, las tres fase de la carga pueden conectarse en triangulo. Entonces las tensiones en sus bornes son:

    'Cicloconvertidores'

    'Cicloconvertidores'

    3.2 Cicloconvertidores de índice de pulsación igual a 6

    La mayor parte de los cicloconvertidores utilizan rectificadores de índice de pulsación igual a 6.

    Si las tres fases de la carga están aisladas, puede utilizarse un transformador de alimentación con un solo secundario o alimentar el cicloconvertidor de forma directa de la pared (Fig. 5.b). Cada tensión de salida se obtiene entonces mediante dos puentes con seis tiristores.

    Si debemos unir las tres fases de la carga y si también se quieren utilizar rectificadores en puente, deben aislarse los tres grupos de dos puentes cada uno (Fig. 5.c). En este caso es necesario un transformador con tres secundarios diferentes.

    Esta solución, que facilita la realización en módulos del conjunto y su protección, en general tiene un coste bastante mas elevado que la primera que, de hecho es la que se utiliza por lo común.

    En caso de que la carga este conectada en estrella o en triangulo, puede sustituirse el esquema de la figura 5.c por el de la figura 5.d, que utiliza un transformador trifásico-hexafásico con secundario en estrella o en hexágono. Cada tensión de salida se obtiene con ayuda de dos rectificadores de media onda, uno con los seis tiristores con los cátodos unidos y el otro con los seis tiristores con los ánodos unidos.

    Si se unen los puntos neutros N y N', las tensiones de salida v'A, v'B y v'C están formadas por fragmentos de las seis tensiones secundarias del transformador. En caso contrario, debe sustituirse la componente homopolar como se ha indicado para el montaje de la figura 5.a.

    3.3. Corriente de circulación

    En los cuatro esquemas de la figura 5 se han representado las inductancias destinadas a limitar la corriente de circulación entre los rectificadores que sirven para generar cada una de las tensiones de salida. Si se utiliza el control por “lógica de inversión” estas inductancias pueden suprimirse.

    En los cicloconvertidores, el ángulo 'Cicloconvertidores'
    varia de forma periódica alrededor de 'Cicloconvertidores'
    ; por lo tanto, la corriente de circulación también varia.

    El índice de pulsación p'que caracteriza a esta corriente es igual a 3, para los montajes de a, b y c de la figura 5; es igual a 6, para el de la figura 5.d. Para obtener la misma limitación de la corriente de circulación, para este ultimo es suficiente una inductancia 3 o 4 veces mas pequeña.

    4. Estudio de las tensiones de salida

    4.1 Elaboración de las tensiones de salida

    La construcción de las formas de onda que aproximas las tensiones de salida deseadas, es decir, la determinación de los instantes de cebado de los tiristores, apenas presentan dificultad alguna. Sucede lo mismo con la electrónica de control correspondiente.

    Presentaremos la forma de aproximar una tensión v' de valor medio senoidal, con ayuda de dos rectificadores de índice 3 y de una lógica de inversión.

    'Cicloconvertidores'
    cuando i' es positivo,

    'Cicloconvertidores'
    cuando i' es negativo.

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 6

    La extensión del método a montajes de otro índice, a la generación de varias tensiones de salida o a la generación de otras formas de onda, no presenta ningún problema.

    La introducción de las funciones de existencia esta destinada a guiar los cálculos que se efectuaran en el párrafo siguiente; evitar tener que rehacer ciertas figuras.

    4.1.1 Estado de reposo

    Resulta cómodo tomar como punto de partida el “estado de reposo” de los dos rectificadores, es decir, su funcionamiento cuando suministran una tensión rectificada de valor medio nulo. Ello permite caracterizar la entrada en conducción de sus tiristores mediante un solo ángulo 'Cicloconvertidores'
    .

    El rectificador 1 de la tensión del tipo positivo, 'Cicloconvertidores'
    : cada cebado de un semiconductor corresponde a un brusco aumento de 'Cicloconvertidores'
    , siendo la tensión de bloqueo del tiristor que conducía con anterioridad.

    El ángulo 'Cicloconvertidores'
    esta definido por: 'Cicloconvertidores'

    En estado de reposo 'Cicloconvertidores'
    es nulo. La forma de onda de 'Cicloconvertidores'
    es entonces la trazada en la parte superior de la figura 7. Debajo se han representados las funciones de existencia de los tiristores 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    .

    La función de existencia de un tiristor es igual:

    • a 1, cuando conduce

    • a 0, cuando esta bloqueado.

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 7

    La tensión 'Cicloconvertidores'
    se expresa por lo tanto en función de las tres de entrada mediante:

    'Cicloconvertidores'

    El rectificador 2 da la tensión del tipo negativo, 'Cicloconvertidores'
    : cada cebado de un tiristor provoca una brusca disminución de 'Cicloconvertidores'
    . Ello da la inversa de la tensión de bloqueo del semiconductor del mismo rectificador que conducía antes.

    Puesto que 'Cicloconvertidores'
    es igual a 'Cicloconvertidores'
    , la relación entre 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    se deduce de:

    'Cicloconvertidores'

    'Cicloconvertidores'

    En estado de reposo 'Cicloconvertidores'
    es nulo. La forma de onda que tiene en este caso 'Cicloconvertidores'
    y representa las funciones de existencia de lo tiristores 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    .

    'Cicloconvertidores'

    4.1.2. Desfase de las funciones de existencias

    Para variar el valor medio de las tensiones rectificadas, es preciso desfasar las funciones de existencias de los tiristores.

    El valor medio de la tensión que uno u otro de los rectificadores suministra a la carga es:

    'Cicloconvertidores'

    Las expresiones que ligan 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    con 'Cicloconvertidores'
    muestran que se hacen variar la tensión de salida actuando en sentido inverso sobre el retardo del cebado de los dos rectificadores:

    Cuando 'Cicloconvertidores'
    va de 0 a 'Cicloconvertidores'
    , 'Cicloconvertidores'
    va de 'Cicloconvertidores'
    a 0,

    'Cicloconvertidores'
    va de 'Cicloconvertidores'
    a 'Cicloconvertidores'
    ,

    'Cicloconvertidores'
    = 'Cicloconvertidores'
    va de 0 a 'Cicloconvertidores'
    .

    Cuando 'Cicloconvertidores'
    va de 0 a -'Cicloconvertidores'
    , 'Cicloconvertidores'
    va de 'Cicloconvertidores'
    a 'Cicloconvertidores'
    ,

    'Cicloconvertidores'
    va de 'Cicloconvertidores'
    a 0,

    'Cicloconvertidores'
    = 'Cicloconvertidores'
    va de 0 a -'Cicloconvertidores'
    .

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 8

    La figura 8 muestra las formas de onda de las tensiones 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    para 'Cicloconvertidores'
    igual a 'Cicloconvertidores'
    /4. Solo se han trazado las funciones de existencia de los tiristores 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    ; las de los otros son idénticas con un desfase de 2'Cicloconvertidores'
    /3 o 4'Cicloconvertidores'
    /3.

    4.1.3 Modulación del desfase de las funciones de existencia

    Si se quiere una tensión de salida 'Cicloconvertidores'
    que no sea constante sino que varié en función del tiempo, es preciso variar, en función del tiempo, el ángulo 'Cicloconvertidores'
    para que:

    'Cicloconvertidores'

    Si se quiere que la tensión de salida sea senoidal de pulsación 'Cicloconvertidores'
    y de amplitud 'Cicloconvertidores'
    , se debe variar y según la ley:

    'Cicloconvertidores'

    Se refiere la amplitud 'Cicloconvertidores'
    de la tensión deseada a la tensión rectificada media 'Cicloconvertidores'
    que suministran los rectificadores con 'Cicloconvertidores'
    nulo. Esta relación r es denominada coeficiente de regulación en tensión.

    'Cicloconvertidores'
    (0 < r < 1)

    La ley de control de los tiristores se escribe:

    'Cicloconvertidores'

    El desfase'Cicloconvertidores'
    esta referido a la pulsación 'Cicloconvertidores'
    de las tensiones de alimentación.

    4.1.4 Realización de la ley de control

    Se determinan los instantes de cebado de los tiristores por la intersección de la onda de referencia, proporcional a 'Cicloconvertidores'
    (t), y de las ondas de modulación. Esta ultimas son funciones senoidales de pulsación 'Cicloconvertidores'
    ; hay una por cada tiristor.

    • La onda de modulación de un tiristor debe pasar por cero para el valor de 'Cicloconvertidores'
      t correspondiente al inicio de la onda rectangular que representa su función de existencia cuando 'Cicloconvertidores'
      es nulo.

        • Se trata de un paso por cero por valor decreciente para los tiristores del rectificador positivo.

        • Se trata de un paso por cero por valor decreciente para los tiristores del rectificador negativo.

    • Puesto que 'Cicloconvertidores'
      solo debe variar entre -'Cicloconvertidores'
      /2 y 'Cicloconvertidores'
      /2, basta con trazar la mitad de las senoides que representan las ondas de modulación.

      • Para un tiristor del rectificador positivo, la semisenoide en que la tensión decrece.

      • Para un tiristor del rectificador negativo, la semisenoide en que la tensión crece.

    • Si se toma como referencia directamente la tensión de salida deseada debe darse a las ondas de modulación una amplitud igual a . La figura 9 muestra los diferentes tipos de intersección entre y dos ondas de modulación.

    • En la figura 9, las ondas de modulación cortan a la curva que representa para valores positivos de esta tensión.

    • El tiristor del rectificador positivo se ceba para t = t2. Puesto que t = t1 corresponde a nulo, tenemos, efectivamente, un avance del ángulo de cebado(t1-t2) igual a tal que:

    • El tiristor del rectificador negativo se ceba para t = t4, por lo tanto con un retardo angular , igual a (t4-t3), tal que:

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 9

    • En la figura 9.b se han representado intersecciones para los valores negativos de .

    • El tiristor del rectificador positivo se ceba en t4 con un retardo tal que:

    • El tiristor del rectificador negativo se ceba con un avance relativo , igual a (t4-t5)

    • La figura 10 muestra la aplicación a la generación de una tensión senoidal para el montaje de la figura 6. Si se toma:

    ; ;

    • Las ondas de modulación y pasan por un cero decreciente respectivamente para:

    ; ;

    • Las de los tiristores y pasan por un cero creciente respectivamente para:

    ; ;

    En medio de la figura se han trazado las seis ondas de modulacion (con trazo continuo para los tiristores positivos y discontinuo para los tiristores negativos) y punteadas sus intersecciones con la onda de la tensión deseada . Se ha tomado r = 2/3.

    En la parte superior se ha trazado la forma de onda de la tensión 'Cicloconvertidores'
    suministrada por el rectificador positivo y en la parte inferior, la de suministrada por el rectificador negativo.

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 10

    4.1.5 Funciones de conducciones de los rectificadores

    Para pasar de 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    a la tensión real de salida v', basta con tener en cuenta el signo de la corriente de salida i':

    'Cicloconvertidores'
    , cuando i' es positivo,

    'Cicloconvertidores'
    , cuando i' es negativo.

    Si esta corriente es senoidal y desfasada 'Cicloconvertidores'
    en retraso respecto al fundamental 'Cicloconvertidores'
    de la tensión v':

    'Cicloconvertidores'

    se escribe:

    'Cicloconvertidores'

    siendo 'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    las funciones de conducción de los rectificadores.

    4.1.6 Aplicación a los demás montajes

    Si en lugar de las tres tensiones y , se aplican al entrada del esquema del esquema de la figura 6 seis tensiones , y , dadas por el secundario en estrella de un transformador trifásico-hexafásico, se obtiene una tensión de salida de índice 6. Para ello, el rectificador positivo utiliza seis tiristores con los cátodos unidos ,, y y suministra la tensión 'Cicloconvertidores'
    ; el rectificador negativo utiliza seis tiristores con los ánodos unidos y suministra la tensión .

    La figura 11 muestra el trazado de la tensión , a partir de las intersecciones de las seis ondas de modulación de los tiristores del primer rectificador, con la onda de la tensión deseada .

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 11

    Si los rectificadores que suministran las dos tensiones de índice 6 son rectificadores trifásicos en puente, todavía pueden considerarse seis tensiones 'Cicloconvertidores'
    ,'Cicloconvertidores'
    'Cicloconvertidores'
    y 'Cicloconvertidores'
    . Pero se trata ahora de las tres tensiones compuestas entre los tres bornes de entrada del puente y de las inversas de estas tres tensiones.

    También puede considerarse cada puente rectificador como la suma de dos rectificadores de media onda, uno con los cátodos y el otro con los ánodos unidos, que rectifican las tensiones de la fuente. La tensión rectificada del puente es la suma de dos tensiones de índice 3, decaladas de 'Cicloconvertidores'
    /3 en la escala de las 'Cicloconvertidores'
    t.

    Si el cicloconvertidor es con salida trifásica, se determinan los instantes de cebados de los tiristores de los tres grupos de dos rectificadores cada uno con ayuda de tres ondas de referencia desfasadas entre si de 2'Cicloconvertidores'
    /3 y 4'Cicloconvertidores'
    /3 en la escala de la pulsación 'Cicloconvertidores'
    ' de las tensiones deseadas.

    4.2 Características de la tensión de salida

    La tensión de salida depende principalmente.

    • Del índice de pulsación p.

    • De la relación f'/f entre las frecuencias de salida y de entrada.

    • Del coeficiente r de regulación en tensión.

    • Del factor de potencia 'Cicloconvertidores'
      de la carga

    5. Estudio de las corrientes de entrada

    5.1 Formas de ondas de las corrientes

    La determinación de las diferentes corrientes, ascendiendo desde la salida hasta la entrada, no presenta ninguna dificultad particular puesto que el estudio de las tensiones ya ha mostrado cuales eran los intervalos de conducción de los diferentes tiristores.

    Si i' es la corriente que circula por la primera fase del cicloconvertidor, esta corriente es suministrada por el rectificador positivo que alimenta esta fase, cuando es positiva, y por el rectificador negativo cuando es negativa.

    La ley de control de los tiristores indica cual de los p tiristores del rectificador que conduce suministra 'Cicloconvertidores'
    o -'Cicloconvertidores'
    durante los diferentes intervalos.

    En los montajes sin transformador, las corrientes en los tiristores son suministradas de forma directa por la fuente.

    En los montajes con transformadores, las corrientes en los tiristores dan las corrientes secundarias. Se pasa a las corrientes primarias y de línea con ayuda de las expresiones de los amperios vuelta establecidas en el estudio de los rectificadores.

    Vamos a mostrar esta subida de la carga a la fuente mediante un ejemplo. Debido a su sencillez tomaremos, como lo hicimos en el estudio de las tensiones, el cicloconvertidor de índice 3, pero en este caso tendremos en cuenta el hecho de que la salida sea trifásica.

    En el esquema de la figura 12 se han indicado las diferentes corrientes y marcados los dieciocho tiristores.

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 12

    También se adoptan las siguientes notaciones:

    • Las tensiones de entrada:

    ; ;

    • Las tensiones de salida deseadas:

    ; ;

    • Las corrientes de salida, supuestas senoidales:

    ; ;

    La figura 13.a se refiere a la primera fase de salida. Del signo de la corriente se deduce cual de los dos rectificadores conduce.

    Debajo se ha recordado la determinación de los instantes de cebado de los tiristores por las intersecciones de la onda de referencia y de las ondas de modulación. Para estas últimas, solo se han trazado las ondas relativas a los semiconductores que pertenecen al rectificador que conduce, así como la relativa al tiristor del que la lógica de inversión liberara la entrada en conducción.

    La determinación de los cebados permite pasar las formas de onda de las corrientes , e , suministradas por la fuente al conjunto de los dos rectificadores. La envolvente de estas corrientes viene dada por la corriente de salida .

    • Las figuras 13.b y c dan los mismos trazados para las fases B y C de salida: rectificadores en conducción, tiristores cebados y corrientes suministradas por la fuente.

    • En la figura 13.d se han utilizado los resultados de la determinación de las corrientes , , , , , , , , e , para trazar las formas de onda de las corrientes , e suministradas por la fuente al conjunto del cicloconvertidor trifásico.

    El análisis de los diferentes trazados de la figura 13 ilustra el fenómeno que caracteriza a las corrientes absorbidas por los cicloconvertidores: la “pulsación” de estas corrientes.

    'Cicloconvertidores'

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 13

    6. Aplicaciones

    El cicloconvertidor es un convertidor directo, con conmutación natural, que funciona como variador de frecuencia.

    Presenta las ventajas siguientes:

    • Funcionando con conmutación natural, no necesita circuito auxiliar de bloqueo de los tiristores.

    • Siendo un convertidor directo, tiene un muy buen rendimiento ya que la corriente para ir de la entrada a la salida solo atraviesa un semiconductor o dos.

    • Es reversible en corriente y en tensión por su propio principio de funcionamiento ya que esta formado por uno o tres rectificadores de cuatro cuadrantes según sea con salida monofásica o trifásica.

    • Se aprovecha la importante experiencia industrial adquirida en los rectificadores de cuatro cuadrantes.

    • El control y la protección de los semiconductores no presenta ninguna dificultad.

    Sus principales inconvenientes son:

    • Como todo convertidor directo, es permeable a los armónicos: los armónicos de las tensiones de salida dan lugar dan existencia de armónicos en las corrientes de entrada. Pero la riqueza del espectro no debe hacernos olvidar que, si la salida es trifásica equilibrada, el nivel global de armónicos es inferior al de un rectificador.

    • El montaje necesita muchos tiristores. Para una salida trifásica son necesarios como mínimo 18, casi siempre 36.

    • Sobre todo, por su propio principio de funcionamiento, el cicloconvertidor consume una potencia reactiva importante.

    El cicloconvertidor presenta una limitación: su frecuencia de salida es variable pero debe mantenerse claramente inferior a su frecuencia de entrada.

    Estas son sus principales aplicaciones:

  • Variación de la velocidad de los motores de corriente alterna

  • Transposición de la frecuencia de una fuente

  • Generadores de potencia reactiva variable

  • Conexión de dos redes de frecuencia diferentes

  • Ejemplos de estas aplicaciones:

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 14

    La figura 14.a representa el empleo de una base de alta frecuencia. Esto se consigue uniendo una fuente de frecuencia claramente superior a la de la red, por mediación de un cicloconvertidor y de tres inductancias L. Esta fuente es denominada base de “alta frecuencia”.

    También, como base, en lugar de una fuente clásica, pueden ser suficientes unos circuitos oscilantes (Fig. 14.b). Se comportan como depósitos de energía que suministran la potencia instantánea de entrada cuyo valor medio es nulo.

    'Cicloconvertidores'

    Fig.15

    La figura 15 ilustra el montaje de un doblador de potencia

    'Cicloconvertidores'

    Fig. 16

    Esta última figura representa el esquema de conexión de dos redes de frecuencias diferentes.

    Bibliografía:

    Electrónica de potencia: Los convertidores estáticos de energía.

    Electrónica industrial: Técnicas de potencia.

    www.uv.es/emaset/iep00/temas/IEP9-0506.pdf (Universidad de Valencia)

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