1

PRINCIPIO DE CONTROL POR ÁNGULO DEFASE

Boris Fernando Criollo Encalada-Christian Jonnathan Ortiz Rodriguez

bcriolloe@est.ups.edu.ec-cortizr@est.ups.edu.ec

Abstract—This paper presents one of the most common meth-ods for varying the effective value of an AC voltage is throughthe call control phase angle, which, given a half cycle of thenetwork, the switch is actuated or fired at an angle , so that theload is connected to the input by an interval of less than or equalto a half cycle time. In other words, the phase angle control, asits name suggests, is based in regulating the firing angle of thethyristors. Usually it is discussing firing angle or phase angle α,as the time instant (in degrees) from the zero crossing of theinput voltage in which a thyristor is triggered. In the case of aresistive and inductive loads, the firing angle it may be between0 and 180.

Index Terms— Angle, thyristors, angle phase controlled.

I. INTRODUCCIÓN

Si un tiristor conmutador se conecta entre la alimentación deca y la carga, es posible controlar el flujo de potencia variandoel valor rms del voltaje de ca aplicado a la carga, y a este tipode circuito de potencia se conoce como un controlador devoltaje de ca. Las Aplicaciones mas comunes de controladoresde voltaje ca son: calefación industrial, cambio de conexión detransformador con carga, controles de alumbrado, control demotores polifásicos de inducción y controles de electroimanesde ca. Para la transferencia de potencia se usan, en el casonormal dos tipos de control:

1) Control de Encendido Apagado2) Control por ángulo de fase

En el control de encendido apagado, los interruptores del tiris-tor conectan la carga a la fuente de ca durante algunos ciclosde voltaje de entrada y lo desconectan durante algunos otrosciclos. En el control por por ángulo de fase, los interruptoresconectan la carga con la fuente de ca durante una parte decada ciclo de voltaje de entrada.

II. CONTROL POR ÁNGULO DE FASE

El principio de control de fase se puede explicar haciendoreferencia a la figura 1. El flujo de potencia hacia la cargaqueda controlado retrasando el ángulo de disparo del tiristorT1. Debido a la presencia del diodo D1, el rango de controlestá limitado y el voltaje rms efetivo de salida sólo puedevariar entre 70.7 y 100. El voltaje de salida y la corriente deentrada son asimétricos y contienen una componente de cd. Sihay un transformador de entrada puede ocurrir un problemade saturación. Este circuito es un controlador monofásico demedia onda, adecuado sólo para cargas resistivas de pocapotencia, como son la calefacción y la iluminación. Dado que

el flujo de potencia está controlado durante el semiciclo delvoltaje de entrada, este tipo de controlador también se conocecomo controlador unidireccional.

Figure 1. Control Monofásico.

III. CONTROLADORES MONOFÁSICOSBIDIRECCIONALES CON CARGAS RESISTIVAS

El problema de la corriente cd de entrada se puede evitarutilizando control bidireccional (o de onda completa), en lafigura 2 aparece un controlador monofásico de onda completacon carga resistiva. Durante el semiciclo de voltaje de entrada,se controla el flujo de potencia variando el ángulo de retrasodel tiristor T1; el tiristor T2 controla el flujo de potenciadurante el semiciclo de voltaje de entrada. Los pulsos dedisparo de T1 y T2 se conservan a 180º uno del otro, lasformas de onda de voltaje de entrada, voltaje de salida yseñales de disparo par T1 y T2 se ven en la figura 2.

2

Figure 2. Control Monofásico de Onda Completa.

A. Cargas Resistivas

La figura 3 muestra el circuito y las formas de onda de unregulador de tensión CA con control por ángulo de fase y cargaresistiva. La apertura del SCR se dará en el momento en quela corriente cae por debajo de la corriente de mantenimientodel componente. Lógicamente las formas de onda de tensióny corriente en la carga son las mismas, si bien con distintasescalas.

Figure 3. Control Monofásico con carga resistiva.

B. Cargas RL (Resistencia-Inductancia)

Cuando la carga alimentada tiene una característicaresistivo-inductiva existe una limitación en términos del mín-imo ángulo de conducción, lo cual depende de la impedanciade la carga, Z. La figura 5 muestra el circuito y las formas deonda típicas de un regulador de alterna con carga resitivo-inductiva y control por ángulo de fase. Considerando unasituación de conducción discontinua (en la cual la corrientepor cada uno de los tiristores alcanza el valor cero dentrode un semiciclo), tenemos que en t1 el tiristor S1, que estadirectamente polarizado, es disparado. La corriente crece y,aunque se invierta la polaridad de la tensión de entrada, elSCR continua conduciendo, hasta que su corriente caiga pordebajo del valor de mantenimiento (en t2). El otro tiristor,S2, recibe el pulso de control en t3, iniciando el semiciclonegativo de la corriente, la cual se extingue en t4. El intervalocontrolable del regulador es para ángulos de disparo en el

intervalo θ ≤ α ≤ π. Para ángulos de fase menores de θse obtiene una corriente unidireccional (para el caso en elque el pulso de disparo sea de corta duración), o conducciónconstante (para el caso en el que el pulso de puerta sea largo).

Figure 4. Control Monofásico con carga Resistiva e Inductiva (RL).

IV. DESARROLLO

Datos- R = 50Ω- L = 50mH- V s = 110

• Control de Ángulo monofásico con carga resistiva a 60

V o=VS[ 12π (2π−α+

sen(2)(α)2 )]

12

V o=91.91

Io=1.84

V cd=12.75

Icd=0.255

TUF=1.92κ

PF=0.84

• Control de Ángulo monofásico con carga resistiva 120

V o=VS[ 12π (2π−α+

sen(2)(α)2 )]

12

V o=36.08

Io=0.721

V cd=−12

Icd=−0.24

TUF=5.75κ

PF=0.32

• Control de Ángulo monofásico con carga RL a 60

V o=VS[ 12π (2π−α+

sen(2)(α)2 )]

12

Z=53.44Ω

V o=91.91

Io=1.99

V cd=12.75

Icd=0.238

TUF=1.43κ

3

PF=0.84

• Control de Ángulo monofásico con carga RL 120

V o=VS[ 12π (2π−α+

sen(2)(α)2 )]

12

V o=36.08

Io=0.721

V cd=−12

Icd=−0.224

TUF=11.03κ

PF=0.328

V. SIMULACIONES

A. Control por Ángulo Monofásico (Simulink)

1) Circuito R : Voltaje y Corriente de la Fuente.

Figure 5. Circuito de un controlador por ángulo monofásico

Figure 6. Voltaje de entrada y Corriente de la carga a un ángulo de 60grados.

Figure 7. Voltaje y Corriente en la carga a un ángulo de 60grados.

Figure 8. Voltaje de entrada y Corriente de la carga a un ángulo de120grados.

Figure 9. Voltaje y Corriente en la carga a un ángulo de 120grados.

4

B. Control por Ángulo Monofásico (Laboratorio)

1) Circuito R : Voltaje y Corriente de la Fuente.

Figure 10. Voltaje y Corriente de la Fuente a un ángulo de 60grados.

Figure 11. Voltaje y Corriente de la Fuente a un ángulo de 120grados.

C. Control por Ángulo Monofásico

1) Circuito R: Voltaje y Corriente en carga.

Figure 12. Voltaje y Corriente en la carga a un ángulo de 60grados.

Figure 13. Voltaje y Corriente en la carga a un ángulo de 120grados.

D. Control por Ángulo Monofásico (Laboratorio)

1) Circuito RL: Voltaje y Corriente de la Fuente.

Figure 14. Voltaje y Corriente de la Fuente a un ángulo de 60grados.

Figure 15. Voltaje y Corriente de la Fuente a un ángulo de 120grados.

E. Control por Ángulo Monofásico

1) Circuito RL: Voltaje y Corriente en carga.

5

Figure 16. Voltaje y Corriente en la carga a un ángulo de 60grados.

Figure 17. Voltaje y Corriente en la carga a un ángulo de 120grados.

F. Control por Ángulo Monofásico de media onda (Laborato-rio)

1) Circuito R : Voltaje y Corriente de la Fuente.

Figure 18. Voltaje y Corriente de la Fuente a un ángulo de 60grados.

Figure 19. Voltaje y Corriente de la Fuente a un ángulo de 120grados.

G. Control por Ángulo Monofásico de media onda

1) Circuito R: Voltaje y Corriente en carga.

Figure 20. Voltaje y Corriente en la carga a un ángulo de 60grados.

Figure 21. Voltaje y Corriente en la carga a un ángulo de 120grados.

H. Control por Ángulo Monofásico de media onda (Labora-torio)

1) Circuito RL: Voltaje y Corriente de la Fuente.

6

Figure 22. Voltaje y Corriente de la Fuente a un ángulo de 60grados.

Figure 23. Voltaje y Corriente de la Fuente a un ángulo de 120grados.

I. Control por Ángulo Monofásico de media onda

1) Circuito RL: Voltaje y Corriente en carga.

Figure 24. Voltaje y Corriente en la carga a un ángulo de 60grados.

Figure 25. Voltaje y Corriente en la carga a un ángulo de 120grados.

VI. CONCLUSIONES

• En el caso de control por fase el flujo de potencia haciala carga, queda controlado, retrasado el ángulo de disparodel tiristor TH1, como se presento en la Figura1,cuando se presenta un Diodo en el circuito, el rango decontrol esta limitado y el voltaje rms efectivo de salida,solo puede variar entre el 70.7κ.

• Aunque el controlador de media onda puede hacer variarel voltaje de salida al variar el ángulo de retardo α, lasalida presenta una componente de cd indeseable.

• Este tipo de controlador no se usa en aplicaciones prác-ticas, en el caso normal.

• Los controladores monofásicos con cargas inductivasprolonga una corriente de la carga mas alla de π. Estacorriente puede ser continua se el ángulo de retardo α esmenor que el ángulo de impedancia θ, para α < θ, lo cualsuele ser el caso, la corriente en la carga es discontinua.Por consiguiente el ángulo de control es θ ≤ α ≤ π.

REFERENCES

[1] Electrónica de Potencia - Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones. Muham-mad H. Rashid, Prentice Hall Hispanoamericana, S.A., 1993.

[2] “Eletrónica de Potência”, J. A. Pomilio, Universidade Estadual de Camp-inas, SP - Brasil.

[3] Power Electronics. Converters, Applications, and Design (2ª edición). N.Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Editorial: John Wiley & Sons,1995.

[4] http://cesarpfc.50webs.com/c4.htm