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Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 1 de 25
TEMA 8. LIMITACIONES DE CORRIENTE YTENSION
8.1. INTRODUCCIN8.2. ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS
8.2.1. Conexin en Serie8.2.2. Conexin en Paralelo
8.3. PROTECCIONES8.3.1. Proteccin contra Sobreintensidades8.3.2. Proteccin contra Sobretensiones
8.3.2.1. Proteccin con Redes RC8.3.2.2. Proteccin con Semiconductores y
Varistores de xido Metlico
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INTRODUCCIN
1er tema dedicado a aspectos prcticos en el uso de Dispositivos dePotencia.
Prximo tema: Circuitos de Disparo. Siguiente tema: Limitaciones Trmicas.
Objetivo de este tema: No superar lmites recomendados porfabricantes (Tensiones, corrientes y sus derivadas) Evitar ladestruccin de los dispositivos:
Extensin de las caractersticas de los dispositivos pordificultad o imposibilidad de encontrar los dispositivosadecuados en el mercado:
Conexin Serie. Conexin Paralelo.
Empleo de dispositivos auxiliares para evitar que se superenlos lmites de los dispositivos:
Sobreintensidades. Empleo de Fusibles
Sobretensiones: Redes Amortiguadoras. Limitadores de tensin.
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ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS.CONEXIN EN SERIE
Al conectar en serie dos dispositivos se trata de poder realizar un convertidoren el que soporten tensiones mayores que las que soporta un solo dispositivo.
Optimo deberan soportar el doble de lo que soportan cada uno de ellos. Problema reparto desigual de las cadas de tensin entre los dosdispositivos (aunque sean del mismo fabricante y de la misma serie).
Ejemplo con SCR Cubre los casos de bloqueo directo e inverso.
VAK2 SCR1
VAK1 SCR2
VT
IA
VAK2 VAK1
IA
VAK VAK2 VAK1
VT= VAK1+VAK2 I= IA1=IA2
Reparto de Tensiones en una Asociacin Serie de Tiristores
SCR1 VAK1
SCR2
R1
IT
R2 VAK2
VT
Se pueden elegir R1 y R2 de tal formaque el par SCR1-R1 y el par SCR2-R2tengan la curva caractersticacompuesta muy parecida.
Problemas: Si en vez de dos son un nmeroelevado es imposible ajustarlo.
Al cambiar la temperaturacambian las curvas.
Cada vez que se sustituya un SCRpor mantenimiento hay quereajustar todas las resistencias
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ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS.CONEXIN EN SERIE
Debido a los problemas antes mencionados, se prefiere emplear resistenciasiguales que eviten un desequilibrio exagerado entre las tensiones soportadaspor los dispositivos, as para el caso de dos dispositivos el efecto de conectaruna resistencia igual a cada dispositivo es (slo se considera bloqueo directo, elefecto sobre el bloqueo inverso es anlogo):
SCR1 VAK1
SCR2
R1
IT
R2 VAK2
VT
VAK1
IA
VAK2 VAK
VAK1
VAK2
Reparto de Tensiones en una Asociacin Serie de Tiristores
Restricciones:
Ninguna de las tensiones andicas deber ser mayor que la mximasoportable por cada dispositivo (Ep).
La tensin total mxima ser la suma de las dos tensiones nodo-ctodo,cuando la mayor de las dos alcance su valor mximo (Ep).
El mayor valor posible ser cuando las dos tensiones nodo-ctodosean iguales entre s y al valor mximo (Ep).
Cuanto menor sea R ms parecidas sern las dos tensiones nodo-ctodo.
Cuanto menor sea R tendremos ms disipacin de potencia en R, paran resistencias las prdidas totales sern:
Pn.(Ep)2/R
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ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS.CONEXIN EN SERIE
VAK1= Ep=I1R SCR1
I=IAmin
R
R
R
M
M
R
I=IAmax
SCR2
SCR3
SCRn
I=IAmax
I=IAmax
VAK2
VAK3
VAKn
I1
I2
I2
I2
VT=Em
Ecualizacin Esttica de una asociacin serie de SCRs (Ep ser lamxima tensin que soporta un dispositivo en bloqueo directo o inverso)
I I1 2> nAKAKAKAK VVVV ==> L321
PAK ERIV == 11 ; E E n R Im p= + ( )1 2
Como: I I I Amax2 1= resulta:
Se ha de repetir para bloqueo directo e inverso y elegir el menor valorque resulte para R.
Rn E En I
p m
Amax
( )1
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ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS.CONEXIN EN SERIE
En las transiciones de cebado a bloqueo y viceversa pueden presentarseproblemas debido a la diferencia de velocidad de cada dispositivo:
Cebado: Si se retrasa uno de los dispositivos Soportar toda la tensin. En el caso del SCR es menos grave que en otros dispositivos, ya quela tensin cae a unos pocos voltios (Debe evitarse, porque a la larga sedaar).
La solucin es dar un pulso de puerta adecuado para que todos losdispositivos entren en conduccin a la vez.
Debe llegar el pulso a la vez (Uso de fibras pticas, caminosiguales).
Debe ser lo ms escarpado posible.
Bloqueo: Si se adelanta un dispositivo Soportar toda la tensinentrando en ruptura.
En el caso del SCR es ms grave que en otros dispositivos, ya que latensin cae a unos pocos voltios y no se consigue que se bloquee.
Una posible solucin es retrasar todos los SCR aadiendo unacapacidad en paralelo:
C
C
M
C
M
C
RD
RD
Esta solucin tiene el problema deque al cebar los SCR hay unaselevadas corrientes andicas ysobre todo una elevada derivadade dicha corriente
Esta solucin tiene elproblema de no ser capaz deretrasar los SCR el tiemporequerido.
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ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS.CONEXIN EN SERIE
La solucin pasa por tener un circuito con un diodo, que al cebar permita unadescarga lenta del condensador a travs de RD pero al bloquear, conecte C
directamente a la tensin nodo-ctodo. El circuito completo para la conexinserie de un grupo de SCRs ser por tanto:
D
C
D
C
M Ecualizacin Dinmica Ecualizacin Esttica
RD
RD
RS
RS
Ecualizacin Esttica y Dinmica de un grupo de SCRs conectados en serie.
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ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS.CONEXIN EN PARALELO
Al conectar en paralelo dos dispositivos se trata de poder realizar unconvertidor en el que soporten corrientes mayores que las que soporta unsolo dispositivo.
ptimo deberan soportar una corriente el doble de lo que soportacada uno de ellos.
Problema reparto desigual de las corrientes entre los dos dispositivos(aunque sean del mismo fabricante y de la misma serie).
Ejemplo con SCR
SCR1
IA IA1
SCR2
IA2 VAK
IA IA1
IA2
VAK
Reparto de Corrientes en una Asociacin Paralelo de Tiristores
El problema se agrava cuando la derivada de la tensin nodo-ctodo enconduccin es negativa
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ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS.CONEXIN EN PARALELO
El problema se agrava cuando la derivada de la tensin nodo-ctodo enconduccin es negativa: T1
T1+T1 T2
T2 -T2
b)
IA
VAK a)
IA IA1
IA2 IA
IA1
IA2
IA IA1
IA2 IA
IA1 IA2
SCR1 SCR2
VAK VAK VAK
Conexin en paralelo de dos dispositivos de potencia: a) Con coeficiente detemperatura negativo y b) Con coeficiente positivo.
Si por uno de los dispositivos pasa ms corriente, se calentar ms. Si sube la temperatura se desplaza la curva caracterstica esttica paradisminuir su cada de tensin.
Si tiene menor cada de tensin que los dems, circular una corriente anmayor.
Ese incremento de corriente ocasionar un aumento de la temperatura,haciendo que el desequilibrio de corrientes sea muy grande.
Si la derivada de la tensin nodo-ctodo en conduccin es positiva el efecto esjusto el contrario y se equilibran las corrientes.
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ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS.CONEXIN EN PARALELO
Si los dispositivos tienen coeficiente negativo es necesario el uso deecualizacin, por ejemplo empleando resistencias o bobinas acopladas:
SCR1
IA
R VAK
SCR2
IA IA1
IA2
VAK
IA1 IA2
R
VAK
IA1 IA2
Uso de resistencias ecualizadoras. Problema: La Potencia crece con elcuadrado de la corriente No se puede usar para corrientes elevadas.
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ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS.CONEXIN EN PARALELO
Conexin de tres dispositivos en paralelo
Conexin de dos dispositivos en paralelo
Conexin de 2 y 3 Tiristores en Paralelo con Bobinas Ecualizadoras:
Ventaja: No prdida de potencia en resistencias
Desventajas: Demasiada complejidad al subir el nmero de dispositivos enparalelo: coste, peso y volumen.
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ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS.CONEXIN EN PARALELO
Aunque los dispositivos tengan coeficiente de temperatura negativo, sepueden conectar si te tienen en cuenta las siguientes recomendaciones:
Si se puede elegir midiendo las cadas a corriente nominal y aTemperatura constante, se puede definir una banda de voltajes porejemplo de 50 mVoltios y escoger los que caigan dentro de la banda.
Se debe cuidar especialmente el cableado (pletinas) para que seandel mismo tamao y no provoque cadas extra que ocasionenmayores desequilibrios.
Se deben montar en una misma aleta, para tratar de igualar lastemperaturas de las cpsulas.
Se debe cuidar especialmente el circuito de disparo generando unpulso con una pendiente elevada y del valor adecuado al nmero dedispositivos conectados en paralelo. A cada dispositivo le debellegar el pulso a la vez.
Retrasos en el disparo pueden hacer que no lleguen a entraren conduccin los SCR retrasados (por tensin nodo-ctodomuy baja), sobrecargando a los que se han adelantado.
SCR Auxiliar Mdulo de Potencia nodo
Puerta
Ctodo
Conjunto de Varios Tiristores en Paralelo en un mismo Encapsuladoincluyendo un SCR auxiliar para el disparo.
En el encapsulado de estos mdulos, los fabricantes tienen en cuentalas recomendaciones anteriores, por lo que pueden usarse sinproblemas.
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PROTECCIONES.
En este tema se va a estudiar la proteccin de los dispositivos, no la proteccinde mquinas o personas (objeto de otras asignaturas).
Los dispositivos debern protegerse contra:
Sobreintensidades: Posibles causas:
Sobrecargas. Cortocircuitos.
Medidas a tomar: Al tratarse ambas causas de un mal funcionamiento,debe detenerse la operacin del dispositivo, hasta que un operadorrepare la causa. Fusibles. Interruptores.
Sobretensiones: Posibles causas:
Causas externas al circuito: Perturbaciones atmosfricas Conexiones y desconexiones de equipos en la red.
Causas internas al circuito: Variaciones bruscas de corrientes por bobinas.
Medidas a tomar: Al ser un funcionamiento normal del circuito, deberevitarse que se superen los lmites de tensin de cada dispositivo y susderivadas. Por tanto, se limitar el efecto de las sobretensiones dejandoel circuito en servicio. Redes RC. Dispositivos auxiliares limitadores de tensin.
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PROTECCIN CONTRA SOBREINTENSIDADES
Imax
tm : Tiempo de fusin ta : Tiempo de arco tc : Tiempo de limpieza de la falta
t
Icc
tm ta
tc
Corriente sin el fusible
Corriente sin el fusible
Efecto Limitador de Corriente en un Fusible
Al seleccionar un fusible es necesario calcular la corriente de fallo y tener encuenta lo siguiente:
1. El fusible debe conducir de forma continua la corriente nominal deldispositivo.
2. El valor de la energa permitida del fusible (i2tc) debe ser menor que la deldispositivo que se pretende proteger.
3. El fusible debe ser capaz de soportar toda la tensin una vez que se haya
extinguido el arco. 4. La tensin que provoca un arco en el fusible debe ser mayor que la tensin
de pico del dispositivo.
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PROTECCIN CONTRA SOBREINTENSIDADES
t, segundos 10-2
I(RMS)
10-1 1 10
Caracterstica del dispositivo
Caracterstica del fusible
Proteccin Completa con un Fusible
t, segundos
dispositivo
10-2
I(RMS)
10-1 1 10
fusible
disyuntor magntico
disyuntor trmico
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PROTECCIN CONTRA SOBREINTENSIDADES
Rectificador
Red AC
F1
F2
T1
T4
T2
T3
C
arga
Proteccin de un Grupo de Dispositivos
Rectificador
Red AC
F3
T1
T4
T2
T3
F4
F1 F2
Car
ga
Proteccin Individual de los Dispositivos
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PROTECCIN CONTRA DERIVADA MXIMA DEINTENSIDAD
Ron
Don
Lon
Amortiguador de encendido
En el encendido del SCR o GTO ser:
Lonon
A VLt
I=
1
IA
Limitacin de la Derivada Mxima de la Corriente en un Dispositivo
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PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES
LS
IA
t
t
IA
VAK VR
dIA /dt=VR /LS
VP
t
t
IA
VAK VR
ta tb
Sobretensin
Carga almacenada
a ) b) c)
Sobretensin Producida al Cortar un Circuito Inductivo.:a) Circuito, b) Conmutacin con un Dispositivo Ideal, c) Conmutacin con un
Dispositivo Real
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PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES.USO DE REDES RC
Amortiguador de apagado
R
LS
C
t
t
IA
IA
VAK
VP VR
ta tb=0
Uso de un Circuito Amortiguador en la Conmutacin de un Dispositivo
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PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES.DESCONEXIN DE LA RED
Red AC Transformador
Amorti-guador
Lm R
C
Vo
S1
VAC
Con
vert
idor
de
Pot
enci
a
a) Circuito Equivalente antes de la Desconexin de la Red
Circuito
Resonante
Lm R
C
Vo
b) Circuito Equivalente tras la Desconexin de la Red
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PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES.DESCONEXIN DE LA CARGA
Amorti- guador
R
C
VS
Convertidor de Potencia
C
arga
IL
LS
S2
Vo
a) Carga Conectada
Circuito Resonante
LS R
C
VS C
arga
b) Desconexin de la Carga
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PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES. SVSSVS: Silicon Surge Voltage Supressor:
Hace el efecto de dos diodos Zener conectados en antiparalelo, entrando enconduccin si se supera la tensinLmite, protegiendo los dispositivoscontra sobretensiones.
Estructura, smbolo de circuito y fotografa de SVS
Se conectarn en paralelo con el dispositivo o equipo que deba ser protegido, aspara proteger a un SCR, se elegir un SVS de forma que teniendo en cuenta lastolerancias de fabricacin del SVS para la corriente mxima prevista por elSVS no se alcance la tensin VDRM o VRRM del SCR.
Tensiones y corrientes al conectar un SVS en paralelo con un SCR.
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PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES.OTROS DISPOSITIVOS: Diodos de Selenio y MOVs
Adems de los SVS, se utilizan Diodos de Selenio y MOV (Metal xido Varistor):
Los Diodos de Selenio son Diodos Zener, y por tanto protegen en un solosentido. Son bastante antiguos y con poca capacidad de disipacin de energa.
Los MOV son resistencias no lineales dependientes de la tensin, de forma que atensiones por debajo del umbral presentan una resistividad muy elevada, pero alsuperar su umbral tienen una resistividad mucho mas baja comportndose deforma parecida a los SVS (como dos diodos Zener en antiserie). Son dispositivosformados por un aglomerado de microgrnulos de xido de Zinc, y pequeascantidades de otros xidos metlicos (Bismuto, Cobalto, Manganeso...). Estosgrnulos forman uniones p-n en sus bordes, de forma que el conjunto es un numeroelevado de uniones p-n en serie.
Estos dispositivos pueden conectarse en serie o en paralelo si es necesario.
Comparacin entre estos dispositivos:
V. DC I. Pico P. Pico E. Pico Vp/Vnom(V) (A) (kW) (Julios) -
SVS 400-3.200 135-50 65-192 3.5-10
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PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES
Dispositivo a Proteger
R
C
SVS MOV
Uso conjunto de varistores y redes RC para proteger a un dispositivo o equipo.