Curso Electronic A Industrial

Universidad Técnica Federico Santa MaríaDepartamento de Electrónica

Valparaíso-Chile

ELECTRÓNICAINDUSTRIAL

José Rodríguez

Julio de 2000.

José Rodríguez

Julio de 2000.

Introducción.

i

Introducción.

Este apunte contiene las figuras más importantes que se emplearán en laasignatura Electrónica Industrial. Debo resaltar que este material no incluyelas explicaciones ni las ecuaciones que serán deducidas en clases.

Este apunte es un apoyo para entender más los conceptos y para facilitar eltrabajo del alumno en clases y durante el estudio personal y de ningunamanera constituye un sustituto de la asistencia a clases y a la ayudantía.

Se recomienda a los estudiantes llevar este material a las clases.

José Rodríguez.Julio de 2000.

Indice.

ii

Indice.

CAPÍTULO 1CAPÍTULO 1 ........................................................................................................................................................ 1

INTRODUCCIÓN................................................................................................................................................. 11.1) ESQUEMA DE ACCIÓN DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA...................................................... 11.2) FAMILIA DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS...................................................................................... 2

1.2.1) Clasificación según la forma de la energía. ...............................................................................................21.2.2) Convertidores mixtos. ..............................................................................................................................3

1.3) EL INTERRUPTOR SEMICONDUCTOR................................................................................................ 31.4) CARACTERISTICAS DEL INTERRUPTOR SEMICONDUCTOR IDEAL............................................ 41.5) UN CONVERTIDOR BÁSICO. ................................................................................................................. 41.6) ALGUNOS CONVERTIDORES TÍPICOS. .............................................................................................. 51.7) APLICACIONES........................................................................................................................................ 51.8) NATURALEZA INTERDISCIPLINARIA DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA.............................. 7

CAPÍTULO 2CAPÍTULO 2 ........................................................................................................................................................ 8

DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA............................................................................... 82.1) EL DIODO DE POTENCIA. ..................................................................................................................... 82.2) EL TIRISTOR. ............................................................................................................................................ 9

2.2.1) Ejemplo de funcionamiento de un tiristor................................................................................................ 102.3) EL TRIAC. ................................................................................................................................................112.4) EL TRANSISTOR BIPOLAR....................................................................................................................112.5) EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO........................................................................................122.6) EL TIRISTOR APAGADO POR EL GATE.............................................................................................132.7) EL TRANSISTOR IGBT. ..........................................................................................................................132.8) COMPARACIÓN DE SEMICONDUCTORES CON CAPACIDAD DE CORTE................................142.9) CLASIFICACIÓN DE SEMICONDUCTORES SEGÚN SU CONTROLABILIDAD...........................14

CAPÍTULO 3CAPÍTULO 3 ......................................................................................................................................................17

CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA....................173.1) COMPORTAMIENTO DINÁMICO........................................................................................................17

3.1.1) Encendido de un tiristor.......................................................................................................................... 173.1.2) Encendido falso por efectos capacitivos:................................................................................................. 183.1.3) Efecto de punto caliente en un tiristor:.................................................................................................... 193.1.4) Corte del estado de conducción............................................................................................................... 21

3.2) PÉRDIDAS, CALENTAMIENTO Y REFRIGERACIÓN. ......................................................................223.2.1) Pérdidas:................................................................................................................................................ 22

Pérdidas de conducción:............................................................................................................................... 22Pérdidas de conmutación. ............................................................................................................................ 22

3.2.2) Calentamiento y refrigeración:................................................................................................................ 23Modelo térmico estacionario:....................................................................................................................... 23Modelo térmico dinámico:........................................................................................................................... 24Disipadores:................................................................................................................................................ 25


CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL (RECTIFICADORES) .........................................274.1) TIPOS BÁSICOS DE RECTIFICADORES. ...........................................................................................27

4.1.1) Rectificador monofásico de media onda.................................................................................................. 284.1.2) Rectificador estrella monofásico. ............................................................................................................ 314.1.3) Rectificador puente monofásico. ............................................................................................................. 324.1.4) Rectificador estrella trifásico. ................................................................................................................. 354.1.5) Rectificador trifásico puente. (Puente de Graetz)..................................................................................... 384.1.6) Rectificador hexafásico. ......................................................................................................................... 42

4.2) RECTIFICADORES CON DIODO VOLANTE......................................................................................434.3) OPERACIÓN DE UN RECTIFICADOR COMO INVERSOR. .............................................................45

Indice.

iii

4.4) EL NÚMERO DE PULSOS DE UN RECTIFICADOR.........................................................................454.5) OPERACIÓN DE RECTIFICADORES CON CARGA ACTIVA...........................................................464.6) OPERACIÓN CON CARGA CAPACITIVA ...........................................................................................484.7) TRANSFORMADORES PARA RECTIFICADORES.............................................................................504.8) EL PROCESO DE CONMUTACIÓN.....................................................................................................514.9) CONEXIONES MULTIPLES DE RECTIFICADORES.........................................................................56

4.9.1) Rectificadores en serie. .......................................................................................................................... 564.9.2) Rectificadores en paralelo....................................................................................................................... 594.9.3) Rectificadores en antiparalelo: el convertidor dual................................................................................... 60


CICLOCONVERSORES....................................................................................................................................635.1) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO...................................................................................................635.2) CICLOCONVERSORES DE TRES PULSOS.........................................................................................645.3) CICLOCONVERSORES DE 6 PULSOS ................................................................................................675.4) CICLOCONVERSORES DE 12 PULSOS..............................................................................................69


CONVERTIDORES DIRECTOS DE FRECUENCIA FIJA (AC-AC) ..........................................................716.1) INTERRUPTOR BIDIRECCIONAL DE ESTADO SÓLIDO ................................................................71

6.1.1) Convertidor AC-AC monofásico con control de fase.-............................................................................. 726.1.2) Convertidor AC-AC monofásico con control integral de ciclos. ............................................................... 73

6.2) CONVERTIDOR AC-AC TRIFÁSICO....................................................................................................73


CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA................................................................................787.1) PULSADORES.- ......................................................................................................................................78

7.1.1) Principio de funcionamiento.-................................................................................................................. 787.2) INVERSORES.- ........................................................................................................................................85

7.2.1) Inversores monofásicos.-........................................................................................................................ 85Inversor semipuente monofásico.................................................................................................................. 85Inversor puente monofásico ......................................................................................................................... 86

7.2.2) Inversor trifásico fuente de voltaje.-........................................................................................................ 87


CIRCUITOS DE DISPARO PARA SEMICONDUCTORES .........................................................................908.1) ELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITO DE DISPARO.- .............................................................908.2) CIRCUITOS DE DISPARO CON TRANSISTORES MONOJUNTURA...............................................928.3) CIRCUITOS DE DISPARO AISLADOS PARA SCR. ............................................................................938.4) CIRCUITOS DE DISPARO INTEGRADOS PARA TIRISTORES........................................................948.5) CIRCUITOS DE DISPARO PARA TRANSISTORES DE POTENCIA.................................................98

CAPÍTULO 9CAPÍTULO 9 ....................................................................................................................................................102

APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS....................................................1029.1) CONTROL DE RECTIFICADORES.- ..................................................................................................1029.2) CONTROL DE CHOPPERS. ................................................................................................................107

9.2.1) El control de corriente de dos posiciones (histéresis). ............................................................................ 1079.2.2) Modulación del ancho de los pulsos (Pulse Width Modulation = PWM)................................................. 110

9.3) CONTROL DE INVERSORES. .............................................................................................................1139.3.1) Inversor monofásico controlado por histéresis....................................................................................... 1139.3.2) Inversor monofásico con modulación PWM. ......................................................................................... 1149.3.3) Inversor trifásico con control de corriente. ............................................................................................ 1179.3.4) Inversor trifásico con modulación PWM. .............................................................................................. 118

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Pág.1

CAPÍTULO 1CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

1.1)1.1)ESQUEMA DE ACCIÓN DE LAESQUEMA DE ACCIÓN DE LAELECTRÓNICA DE POTENCIA.ELECTRÓNICA DE POTENCIA.

Fig.1.1.: Diagrama de bloques de un sistema convertidor de potencia.

Red Potencia deentrada

Señales decontrol

Potenciade salida

Mediciones Mediciones

Referencia

~ Procesador depotencia Carga

Controlador

Referencia

ii i0v0vi



1.2)1.2)FAMILIA DE CONVERTIDORESFAMILIA DE CONVERTIDORESESTÁTICOS.ESTÁTICOS.

1.2.1)Clasificación según la forma de la energía.

RECTIFICADOR

~Fuente

C.A.Flujo de Energía

CargaC.C.

M

~CargaC.A.

INVERSOR

Flujo de Energía

FuenteC.C.

PULSADOR(Chopper)

FuenteC.C.

Flujo de Energía

CargaC.C.

M

~CargaC.A.

CICLOCONVERSOR

Flujo de Energía

~Fuente

C.A.

V = Ctef = Cte

Vf

Vcc=Cte Vcc

Fig.1.2.: Diferentes familias de convertidores de potencia.



1.2.2)Convertidores mixtos.

è Convertidor de frecuencia: fuente de tensión.

V = Ctef = Cte

Rectificador

~Fuente

C.A.

~CargaC.A.

V

Inversor

P

Vf

C

Fig.1.3.: Convertidor de frecuencia mixto con enlace de tensión continua (fuente detensión).

è Convertidor de frecuencia: fuente de corriente.

V = Ctef = Cte

Rectificador

~Fuente

C.A.

~CargaC.A.

IInversor

P

Vf

Fig.1.4.: Convertidor de frecuencia mixto con enlace de corriente continua (fuente decorriente).

1.3)1.3)EL INTERRUPTOR SEMICONDUCTOR.EL INTERRUPTOR SEMICONDUCTOR.

i

v

Conducción(ON)

Bloqueo(OFF)

i

v

Conducción(ON)

Bloqueo(OFF)

i

v

a) b) c)

Fig.1.5.: Interruptor semiconductor. a) Símbolo; b) característica ideal; c)característica real.



1.4)1.4)CARACTERISTICAS DEL INTERRUPTORCARACTERISTICAS DEL INTERRUPTORSEMICONDUCTOR IDEAL.SEMICONDUCTOR IDEAL.

è Puede bloquear voltajes de cualquier polaridad.

è Conduce corrientes en ambas direcciones sin caída de voltaje.

è Puede pasar a corte y conducción instantáneamente obedeciendo a una señal decontrol.

è La señal de control demanda potencia despreciable.

1.5)1.5)UN CONVERTIDOR BÁSICO.UN CONVERTIDOR BÁSICO.

Fig.1.6.: Fuente de alimentación: a) circuito de potencia; b) funcionamiento lineal; c)funcionamiento en conmutación.

V0(t)

V0

Vd

tton toff

ss f

1T ==

V0(t)

a)

b)

c)

V0(t)

V0

Vd

t



1.6)1.6)ALGUNOS CONVERTIDORES TÍPICOS.ALGUNOS CONVERTIDORES TÍPICOS.

R

L

Vc

Vd

+

+

+

-

-

-

n

a

b

c

Fig.1.7.: Rectificador puente trifásico.

Carga

VB

Fig.1.8.: Inversor trifásico.

1.7)1.7)APLICACIONES.APLICACIONES.

è Transporte:Trenes, funiculares, trolebuses, automóviles, camiones, metros, barcos, ascensores,...

è Comercio:Refrigeración, aire acondicionado, iluminación, computadores, fuentes dealimentación ininterrumpibles (UPS), escalas mecánicas, ...

è Energía:Transmisión de corriente continua, enlaces de frecuencia, control de potenciareactiva, compensación de armónicas, ...



è Industrias:Bombas, ventiladores, grúas, palas, refinadoras, molinos, correas transportadoras,máquinas herramientas, robots, hornos, laseres, bobinadoras, laminadoras,...

è Residencial:Televisión, estufas, cocinas, electrodomésticos, herramientas, iluminación, ...

Fig.1.9.: Ubicación de convertidores en una locomotora.

Fig.1.10.: Diagrama de bloques de un sistema de tracción (locomotora).



1.8)1.8)NATURALEZA INTERDISCIPLINARIA DENATURALEZA INTERDISCIPLINARIA DELA ELECTRÓNICA DE POTENCIA.LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA.

Fig.1.11.: Especialidades que interactúan en la electrónica de potencia.

CAPÍTULO 2 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA



DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORESDISPOSITIVOS SEMICONDUCTORESDE POTENCIADE POTENCIA

2.1)2.1)EL DIODO DE POTENCIA.EL DIODO DE POTENCIA.

Fig.2.1.: Diodo semiconductor: a) estructura; b) símbolo; c) característica v-i; d)característica v-i ideal.

+++

---

P

N

A

K

a) b) c) d)



2.2)2.2)EL TIRISTOR.EL TIRISTOR.Silicon Controlled Rectifier (SCR)

Fig.2.2.: Tiristor: a) estructura; b) característica v-i; c) símbolo; d) característica v-i ideal.

Fig.2.3.: Tiristor con corriente en el gate.

K

+++

---

P

N

A

+++

---

P

N

G

a)

b)

c) d)

A

K

viG

i

IH

ILiG1 iG2 iG3

iG1 > iG2 > iG3

iG = 0

v

i



2.2.1)Ejemplo de funcionamiento de un tiristor.

Fig.2.4.: Funcionamiento de un tiristor.

vd

id

vAK

iGid

vS vdR



2.3)2.3)EL TRIAC.EL TRIAC.Triode Alternating Current Switch

Fig.2.5.: Triac: a) símbolo; b) característica v-i; c) característica v-i ideal.

2.4)2.4)EL TRANSISTOR BIPOLAR.EL TRANSISTOR BIPOLAR.

Bipolar Junction Transistor (BJT)

Fig.2.6.: Transistor bipolar NPN: a) símbolo; b) característica v-i; c) característicav-i ideal.

a) b) c)

a) b) c)

IHiG = 0

v

iConducción

Bloqueov

A1

iG

i

A2

G

i

v

Conducción

Corte



Fig.2.7.: Transistor bipolar; a) Darlington; b) triple Darlington.

2.5)2.5)EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO.EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO.

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)

Fig.2.8.: Transistor de efecto de campo canal N; a) símbolo; b) característica v-i; b)característica v-i ideal.

a) b)

a) b) c)



2.6)2.6)EL TIRISTOR APAGADO POR EL GATE.EL TIRISTOR APAGADO POR EL GATE.Gate Turn Off Thyristor ( GTO )

Fig.2.9.: GTO: a) símbolo; b) característica v-i; c) característica v-i ideal.

2.7)2.7)EL TRANSISTOR IGBT.EL TRANSISTOR IGBT.

Fig.2.10.: IGBT: a) símbolo; b) circuito equivalente; c) característica v-i; c) característicav-i ideal.

a) b) c)

d)

a) b)

c)



2.8)2.8)COMPARACIÓN DE SEMICONDUCTORESCOMPARACIÓN DE SEMICONDUCTORESCON CAPACIDAD DE CORTE.CON CAPACIDAD DE CORTE.

Elemento Potencia Rapidez de conmutaciónMOSFET Baja AltaBIPOLAR Media Media

IGBT Media MediaGTO Alta Baja

Fig.2.11.: Capacidad de semiconductores de potencia. Estado al año 1995 (aprox.).

2.9)2.9)CLASIFICACIÓN DE SEMICONDUCTORESCLASIFICACIÓN DE SEMICONDUCTORESSEGÚN SU CONTROLABILIDAD.SEGÚN SU CONTROLABILIDAD.

DIODOS: Paso al estado de coucción (ON) y al estado de corte (OFF) controlado por elcircuito de potencia.

TIRISTORES: Paso a conducción (ON) mediante pulso de control. Paso al estado de corte(OFF) controlado por el circuito de potencia.

INTERRUPTORES CONTROLADOS: Paso a conducción (ON) y a corte(OFF)mediante pulsos de control



Fig.2.12.: Diferentes tipos de semiconductores.

Fig.2.13.: Diferentes tipos de semiconductores.



Fig.2.14.: Diversos semiconductores de potencia.

IGBT. 1200 [V] / 10 [A]. IGBT. 1200 [V] / 400 [A].

2 IGBT’S 1200[V] / 150 [A]. INVERSOR TRIFÁSICO.

INVERSOR – RECTIFICADOR Y CHOPPER DE FRENADO.

CAPÍTULO 3 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA



CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓNCARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓNDE LOS SEMICONDUCTORES DEDE LOS SEMICONDUCTORES DE

POTENCIAPOTENCIA

3.1)3.1)COMPORTAMIENTO DINÁMICO.COMPORTAMIENTO DINÁMICO.

3.1.1)Encendido de un tiristor.

Fig.3.1.: Encendido de un tiristor.



VAK, iA

VAK

L

V

dt

diA ≈≈

IL

IG

t

t

VAK

iAiGV L

Fig.3.2.: Encendido de un tiristor con carga inductiva.

3.1.2)Encendido falso por efectos capacitivos:

K( - )

+ + +

- - -

P

N

A( + )

+ + +

- - -

P

N

G

( + )

( - )

CD1

CD2

CR

G

A

K

( A )

( K )

G

CR

iC

Fig.3.3.: Tiristor: a) estructura; b) modelo de capacidades; c) modelo simplificado sincapacidades de difusión.



3.1.3)Efecto de punto caliente en un tiristor:

Fig.3.4.: Aspectos estructurales de un tiristor: a) corte vertical; b) arreglos de gate; c)símbolo.

a)

b)



Fig.3.5.: Crecimiento del área de conducción en un tiristor; a) Inyección de portadores a laregión p2 por la corriente de gate; b) crecimiento del área de conducción.

a)

b)



3.1.4)Corte del estado de conducción.

Fig.3.6.: Corriente inversa en un diodo o tiristor: a) ideal; b) real.

Fig.3.7.: Corte de un tiristor: a) corriente; b) tensión ánodo-cátodo.

a)

b)

iA

vAK

t

t

a) b)



3.2)3.2)PÉRDIDAS, CALENTAMIENTO YPÉRDIDAS, CALENTAMIENTO YREFRIGERACIÓN.REFRIGERACIÓN.

3.2.1)Pérdidas:Pérdidas de conducción:

Fig.3.8.: a) Característica de conducción de un diodo; b) modelo circuital.

Pérdidas de conmutación.

Fig.3.9.: Conmutación de un semiconductor controlado: a) circuito; b) tensión decontrol; c) tensión y corriente y d) potencia.

VControl

0 Off

On

tOn

Off

tOff

ss f

1T =

t

t

t

vT iT vd I0vd

PT(t)

0d IV ⋅

tc(On)

tfvtritd(on)

td(off) trv tfi

tc(Off)

Vd iT

VT

i0+

a)

b)

c)

d)

iRc

A K

VAK

[[ ]]V7.0V0 ≈≈

a) b)



3.2.2)Calentamiento y refrigeración:

Fig.3.10.: Flujo de calor en el semiconductor.

Modelo térmico estacionario:

A

D

C

J

RθθJC

RθθCD

RθθDA

TA

TC

TD

TJP

Fig.3.11.: Diodo montado enun disipador.

Fig.3.12.: Modelo térmico estacionario.



Modelo térmico dinámico:

RθθCD RθθDA

TA

TC TDTJ

CJ CC CDP(t)

RθθJC

Fig.3.13.: Modelo térmico dinámico.

Fig.3.14.: a) Modelo dinámico simplificado; b) análogo eléctrico; c) temperatura.

Fig.3.15.: Comportamiento dinámico de la temperatura.

CI R

iC iR

v

a) b) c)

TJ TA

RP

ττ th

tTA

J

CP(t) R TJ TA

A



Disipadores:

Fig.3.16.: Diversos disipadores para semiconductores de potencia.

Fig.3.17.: Disipador para rectificador puente trifásico.



Fig.3.18.: Inversor trifásico montado en un disipador.

Fig.3.19.: Tiristores refrigerados por agua.

CAPÍTULO 4 CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN NATURAL



CONVERTIDORES DECONVERTIDORES DECONMUTACIÓN NATURALCONMUTACIÓN NATURAL

(RECTIFICADORES)(RECTIFICADORES)

4.1)4.1)TIPOS BÁSICOS DE RECTIFICADORES.TIPOS BÁSICOS DE RECTIFICADORES.

Fig.4.1.: Cuadrantes de operación de un rectificador.

C.A

vd

id R

L

vd

id

InversorII

InversorIV

RectificadorI

RectificadorIII



4.1.1)Rectificador monofásico de media onda.

Fig.4.2.: Rectificador monofásico no controlado con carga resistiva.

Fig.4.3.: Rectificador monofásico no controlado con carga inductiva.

vdR

idvAK

vs

0

v vs

vAK

0 ωt

v

vs

vd,id

ωt



Fig.4.4.: Rectificador monofásico no controlado con carga inductiva-activa.



Fig.4.5.: Rectificador monofásico controlado.



4.1.2)Rectificador estrella monofásico.

vd

id

R

is

T1

iT2

v1

v2

vT1

v

T2

vT2

iT1

v

N1

N2

N

is

is = iT1 N1

N2·

is

is = iT2 N1

N2·

0

0

0

0

ω t

ω t

ω t

ω t

vvd

v1v2

α

is

iT2

iT1

0 ω t

0 ω t

ig2

ig1

Fig.4.6.: Rectificador estrella monofásico con carga resistiva.



Fig.4.7.: Efecto de la constante de tiempo de la carga sobre la corriente.

4.1.3)Rectificador puente monofásico.

Fig.4.8.: Rectificador puente monofásico: a) no controlado; b) totalmente controlado.

a) b)

P

vd

id

R

D1

D2

D3

D4

vs

N

is+

P

vd

id

Carga

T1

T2

T3

T4

vs

N

is+

ig1



ωt

vd

is

iT1 ,iT2

ig1 ,ig2

ig3 ,ig4

iT3 ,iT4

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

0

v

0

0

0

0

0

α

Fig.4.9.: Formas de onda del rectificador puente monofásico totalmente controlado concarga resistiva. (Ver Fig.4.8-b).

α

ωt

is

iT1

ig1 ,ig2

ig3 ,ig4

iT2

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

0

v

0

0

0

ωt

0

0

idId

0

Fig.4.10.: Formas de onda del rectificador puente monofásico totalmente controlado concarga inductiva (L→∞).



Rd

isiT1 iT2

v

P

vd

id

T1

D2

T2

D1

+

ig1

v1

v2

v

iD1 iD2

Ld

vd

N

Fig.4.11.: Rectificador puente monofásico semicontrolado: a) simétrico; b) asimétrico.

iT1

iD1

ωt

vvNO

v2

2v v1

vPO

vd

αig1

ig2

iT2

iD2

is

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

Fig.4.12.: Formas de onda del rectificador semicontrolado simétrico de la fig.4.11-a), concarga Ld→∞.

P

vd

id

v

N

+

Rd

Ld



4.1.4)Rectificador estrella trifásico.

R

L

i1

i2

i3

1v 2v

3v

D1v

dv

Fig.4.13.: Rectificador estrella trifásico no controlado.

ω t

ω t

ω t

i3

i2

id

i1

ω t

30º 150º 270º 390º 510º 630º 750º

0

← ← ←

↓

ω tV−−

V

v1

v2

v3

vd

ω tvD1

V3 ⋅−

Id

Id

Fig.4.14.: Formas de onda del rectificador estrella de la figura 4.13.



R

L

i2

i3

dv

i1

T1v

1v 2v

3v

idig2

ig1

ig3

Fig.4.15.: Rectificador estrella trifásico controlado.

30º 150º 270º 390º 510º 630º 750º

0

← v1

← v2

← v3

↓

ω t

vd

ig1 ω t

ig2 ω t

ig3 ω t

id

ω t

i1

ω t

i2

ω t

i3

ω t

vT1

ω tV3 ⋅−

V−−

V

α

Fig.4.16.: Formas de onda del rectificador estrella de la figura 4.15.



vdα=90º

ωt

vd

α=135º

ωt

vd

α=30º

ωt

Fig.4.17.: Tensión en la carga de un rectificador estrella trifásico con carga resistiva pura.

vdα=90º

ωt

vd

α=30º

ωt

vd

α=135º

ωt

Fig.4.18.: Tensión en la carga de un rectificador estrella trifásico con carga R-L (Ld→∞).



4.1.5)Rectificador trifásico puente. (Puente deGraetz).

R

Lvd

v1

v2

v3

0

D1 D3 D5

D4 D6 D2

iD1 iD3 iD5

iD4 iD6 iD2

VD1

i2'

i1'

iy

P

N

i1

i3

id

i2

Fig.4.19.: Rectificador puente trifásico no controlado.

R

Lvd

D1

D3

D5

D4

D6

D2

VD1

iD1

iD3

iD5

iD4

iD6

iD2

i1

i2

i3

v1

v2

v30

P

N

id

Fig.4.20.: Otra forma de ver el rectificador de la figura 4.19.

R

L

v1

v2

v3

0

T1 T3 T5

T4 T6 T2

ig1

iT3 iT5

iT4 iT6 iT2

VD1

P

i1

i3

id

i2

iT1

N

vd

Fig.4.21.: Rectificador puente trifásico controlado.



v

vNO

v1

vPO

ωtv2

v3

vD1

iD1

iD2

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

iD3

iD4

iD5

iD6

i1

ωt

i2

i3

iy

id ωt

ωt

ωt

vd

Fig.4.22.: Formas de onda del rectificador puente controlado de las figuras 4.19 y 4.20.



iT1

v

vNO

v1vPO

vd

ig1

ig2

iT2

60º

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ig5

ig6

ig3

ig4

idωt

Id

α=45º

v2 v3

v3 ⋅

ωt

ωt

ωt

ωt

iT3

iT4

iT5

iT6

i1 T1T4

T1T4

Fig.4.23.: Formas de onda del rectificador puente controlado.



R

L

v1

v2

v3

0

T1 T3 T5

D4 D6 D2

ig1

iT3 iT5

iD4 iD6 iD2

P

i1

i3

id

i2

iT1

N

vd

Fig.4.24.: Rectificador puente trifásico semicontrolado.

iT

v

vNO

v1 vPO

vd

iD

ωt

α=45ºv2 v3

v3 ⋅

i1

T5 T1

ωt

ωt

ωt

ωt

T3 T5 T1 T3

D6 D2 D4 D6 D2 D4

idid

id

id

Fig.4.25.: Formas de onda del rectificador de la figura 4.24 con α = 45º.

iT

v

vNO

v1 vPO

vd

iD

ωt

α=105º v2 v3

v3 ⋅

i1

T5 T1

ωt

ωt

ωt

ωt

T3 T5 T1 T3

D6 D2 D4 D6 D2 D4

id

id

id

id

Fig.4.26.: Formas de onda del rectificador de la figura 4.24 con α = 105º.



4.1.6)Rectificador hexafásico.

v1

v2 v3

v4

v5v6

T1

T3

T5

T6

T2

T4

R

L

id

vd

i1

i2

Fig.4.27.: Rectificador hexafásico.

vvd

i2

ωt

i1

ωt

ωt

α v1 v2 v3 v6v4 v5

0

Fig.4.28.: Formas de onda del rectificador hexafásico.



4.2)4.2)RECTIFICADORES CON DIODORECTIFICADORES CON DIODOVOLANTE.VOLANTE.

Fig.4.29.: Rectificador monofásico con diodo volante.

R

L

v1

v2

v3

0

T1 T3 T5

T4 T6 T2

ig1

iT3 iT5

iT4 iT6 iT2

P

i1

i3

id

i2

iT1

N

vd

iD

DV

Fig.4.30.: Rectificador trifásico puente con diodo volante.

id

R

is

vL

iDDV

vR

vL

vd

T1

vd

id

v

is

ωt

α

iD

ωt

ωt

ωt

Conduce T1 Conduce DV



0

0

0

0

0

0

0

vPO

i1

ωt

i2ωt

i3

ωt

ωt

iD

ωt

ωt

vNO

ωt

vd

Fig.4.31.: Formas de onda del rectificador trifásico puente con diodo volante.



4.3)4.3)OPERACIÓN DE UN RECTIFICADOROPERACIÓN DE UN RECTIFICADORCOMO INVERSOR.COMO INVERSOR.

Ld

i2

i3

i1

T1v

idig2

ig1

ig3

v1

v2

v3

T1

T3

T2

vd-+

-+

α=30º α=60º α=90º α=120º α=150º

ωt

v2

v1

ωt

Rectificador Inversor

v3

Id

v

vd

Fig.4.32.: Operación de un rectificador con ángulo de disparo variable.

4.4)4.4)EL NÚMERO DE PULSOS DE UNEL NÚMERO DE PULSOS DE UNRECTIFICADORRECTIFICADOR

T

T

T

vvd

0

v3 ⋅

ωt

ωt

ωt

vvd

vd

vred

Pulso

Fig.4.33.: Sobre la definición del número de pulsos de un rectificador.

p=2

p=3

p=6



4.5)4.5)OPERACIÓN DE RECTIFICADORES CONOPERACIÓN DE RECTIFICADORES CONCARGA ACTIVACARGA ACTIVA

Fig.4.34.: Rectificadores con carga activa: a) batería; b) motor de corriente continua.

Fig.4.35.: Rectificador con carga activa-resistiva: a) VB > 0; b) VB < 0.

VB

R L

Vrot

R L

a) b)

vd

id

R

T1

v1

v2

vAK

v

T2

N2

N

VB

v1

ωtV

B

ωt

v2αmaxαmin

vd

α=60º

V

id

Rango de control

vd

id

R

T1

v1

v2

vAK

v

T2

N2

N

VB v1

ωtVB

v2

vdα=60º

Rango de control

a)

b)



c)

Fig.4.36.: Rectificador monofásico con carga activa-inductiva: a) circuito; b) circuitoequivalente; c) formas de onda.

Fig.4.37: Rectificador monofásico con carga activa-inductiva (VB < 0).

vLvs

+

Ls

Vd

D1 D3

D4 D2

A

B-

id

+

-

iS

id

+

-

Ls

Vd

+

-vs

a) b)

vd

id

L

T1

v1

v2

vAK

v

T2

N2

N

VB

ωtVB

ωt

vdV

id

0

0

α=120º

v1

v2

A

B



4.6)4.6)OPERACIÓN CON CARGA CAPACITIVAOPERACIÓN CON CARGA CAPACITIVA

vd

R1

CRd

vAK id

ic

vs

+

-

i

a)

0

0

t

t

vsV

i = ic+ id

vd

id

ic

T

b)

Fig.4.38.: Rectificador monofásico de media onda con carga capacitiva: a) circuito; b)formas de onda.



is(t)

vs+

D1 D3

D4 D2

A

B-

Rdc

R

iD

ic

Ldc

vdC

a)

0 t

vs

vd

is

b)

c)Fig.4.39.: Rectificador puente monofásico con carga capacitiva: a) circuito; b) formas de

onda; c) armónicas de la corriente is(t).

[ ]%i

i

s

sn

1

100

50

Frecuencia (KHz)



4.7)4.7)TRANSFORMADORES PARATRANSFORMADORES PARARECTIFICADORES.RECTIFICADORES.

vd

R

D1vS

Ld

idD2

D3

is

vR

vT

vp

ip

a)

0 ωt = x

0 ωt = x

0 ωt = x

vdV

Id

isv

S vRvT

b1

ip

Id/3

b)Fig.4.40.: Transformador delta-estrella alimentando a un rectificador estrella trifásico: a)

circuito; b) formas de onda.

32 π

vi

ωt3

2πId

Fig.4.41.: Corriente en el primario y en el secundario de un transformador estrella-estrellaalimentando a un rectificador puente trifásico.



4.8)4.8)EL PROCESO DE CONMUTACIÓN.EL PROCESO DE CONMUTACIÓN.

vd

R

v1 Lk T1Rk+-

i1

i2

i3

Lk

Lk

Rk

Rk Ld

idv2

+-

v3+-

T2

T3

dI=di

a)

0

vvd

v3 ⋅

ωt

v1 v2 v3

v21=v2-v1

ωt

ωt

ωt

ωt

i1

i2

i3

idId

µ0

b)

Fig.4.42.: Proceso de conmutación con α = 0; a) circuito; b) formas de onda.



0

0

i

v1

i2

µ0

v2

i1

ωt

ωt

ωt

Id

221 vv +

v1

vd

v2

vd

v

0

0

i i2i1

ωtId

ωt

ωt

v1

α

v2

221 vv +

v1

vd

v2

vd

vµ

a) b)

Fig.4.43.: Efecto del ángulo de disparo α sobre el ángulo de conmutación µ: a) α = 0; b) α = 45º.

0 ωt=x

v1

α

v2

221 vv +

µ v3 vdv

2v

x=0

Fig.4.44.: Formas de onda para calcular la tensión en la carga considerando laconmutación.



vd

R

Ld

id

v1 Lk+-

i1

i2

i3

Lk

Lk

v2+-

v3+-

T1

T2

T3

vAK

a)

0

0

v1

α = 150º

v2

221

vv +

µ

v3

vd

ωt

ωt

γ

β

vAK v12v13

b)Fig.4.45.: Ángulo de disparo máximo; a) circuito; b) formas de onda.



0

v1

α = 150º

v22

21 vv +v3vd

ωt

0

0 ωt

ωt

α = 165º

v12v13

vAK

vAK(T1)

i1 i2id

i3 i1i1

Fig.4.46.: Falla en la conmutación de un rectificador.



Fig.4.47.: Rectificador puente trifásico con ángulo de disparo variable: a) tensiones degrupos positivo y negativo; b) tensión en la carga; c) tensión ánodo-cátodo de un tiristor.

Conmutación ideal.

Fig.4.48.: Rectificador puente trifásico con ángulo de disparo variable: a) tensiones degrupos positivo y negativo; b) corriente de entrada; c) tensión en la carga. Conmutación

real.



4.9)4.9)CONEXIONES MULTIPLES DECONEXIONES MULTIPLES DERECTIFICADORES.RECTIFICADORES.

4.9.1)Rectificadores en serie.

R

L

C.A

C.A

vd

R

Lv1 v2 v3

v6v4 v5

vd

vR1

vR2

id

v1,v4

v3,v6 v2,v5

v1

v3 v2

v6

v4

v5

Fig.4.49.: Rectificadores en serie.

ωt

ωt

vd

v1,v4

vR1 vR2

V2

Vmed

v6 v4 v5v1 v2 v3

vR2 vR1

v2,v5v3,v6vd

Vmed



vAB

v1 v2 v3

v6v4 v5

A B

D

v9v7 v8

EvDE

Primario(∆)

Secundario(∆)

Secundario( )Y

v1

v2

v3

vDE

vAB

ωt

ωt

Fig.4.50.: Transformador de tres devanados.

30º

VDE

VAB

IM

RE



(Y)

(∆(∆ ))

Secundarios R

L

vR1

vR2

Primario ( ∆∆ )

1

2

vd

p=12

vddvv

vR1 vR2

ωt

Fig.4.51.: Rectificador de doce pulsos.



4.9.2)Rectificadores en paralelo

vd1

v1 v2 v3

vd2

v4 v5 v6R

L

vdi1 i2 i3 i4 i5 i6

id1 id2

Reactor deinterfase

Rectificador 1 Rectificador 2

2riv

2riv

Id

i1 i2 i3 i1 i2 i3

i6 i4 i5 i6 i4

v1 v6 v2 v5v4 v3

id2

v1-5

vd

vri

v1-6id1

ωt

ωt

ωt

ωt

vdvd2 vd1α = 0º

2dI

2dI

Fig.4.52.: Rectificador doble estrella con reactancia de interfase.



4.9.3)Rectificadores en antiparalelo: el convertidordual.

Rect I Rect II

id

Rect I

vd

id

III

0

Rect II

vd

id

0

IVIII

Fig.4.53.: Convertidor dual: a) esquema básico; b) cuadrantes de operación.

b)Fig.4.54.: Convertidor dual de 3 pulsos: a) circuito; b) formas de onda.

a)

b)

L1 L2 L3

M.G

1

1'

2

2'

3

3'Rect 2

Rect 1

vd2

vd1

a)



M.G

1

1'

2

2'

3

3'vd1

vs1 vs2 vs3

vd2

vkr

id

ikr

Fig.4.56.: Camino de la corriente circulante.

Fig.4.57.:Formas de onda del convertidor dual con corriente circulante de la figura 4.53.



LKR

A B

123

123

IKR'

IKR''

LKR

A B

IKR

LKR

A B

IKRTr1 Tr2

LKR

A B

1

2

IKR'

IKR''

1

2

LKR

A B

123

123

LD

Fig.4.58.: Algunos convertidores duales: a) y c) moonofásicos; b) y c) trifásicos concorriente circulante y e) trifásico sin corriente circulante.

a) b)

c) d)

e)

CAPÍTULO 5 CICLOCONVERSORES

ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Pág. 63


CICLOCONVERSORESCICLOCONVERSORES

5.1)5.1)PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

RL

vd

Carga

I

II

id

Fig.5.1.: Esquema de un cicloconversor.

0

vd, id

ϕ

II I I

A

Inv Rectificador

B C

Inv Rectificador Inv

II II

D E

vd

id

ωt

Fig.5.2.: Formas de onda de un cicloconversor.



5.2)5.2)CICLOCONVERSORES DE TRES PULSOSCICLOCONVERSORES DE TRES PULSOS

va

vb

vc

ia

ib

ic vd

id

iap

ian

P

N

va

vb

vc

ia

ib

ic vd

idN

Fig.5.3.: Formas de onda de un cicloconversor de punto medio con carga resistiva.



Fig.5.4.: Formas de onda de un cicloconversor de tres pulsos con carga inductiva.

51≈

input

output

f

f

Hzfoutput 10≈



Fase 1

Fase 2

Fase 3

NN

Fig.5.5.: Cicloconversor de 3 pulsos con carga trifásica.



5.3)5.3)CICLOCONVERSORES DE 6 PULSOSCICLOCONVERSORES DE 6 PULSOS

vd

R

Ld

id

I II

va

vb

vc

Fig.5.6.: Cicloconversor de 6 pulsos con carga monofásica.



Fase 1

Fase 2

Fase 3

Fig.5.7.: Cicloconversor de 6 pulsos trifásico.



5.4)5.4)CICLOCONVERSORES DE 12 PULSOSCICLOCONVERSORES DE 12 PULSOSFuente de

Poder

Exitación

Lazo deControl

iL1,L2,L3

vL1,L2,L3

Variable de Referencia Variable de actuación

M3 -

vL2 vL3vL1

iL1 iL2 iL3

iL1 a iL3 Corrientes del Motor vL1 a vL3 Voltajes del Motor

Motortrifásico

Ciclo-Conversor

Transformadorde Potencia

Interruptorde

Alto Voltaje

Fig.5.8.: Cicloconversor de 12 pulsos alimentando un motor sincrónico.



Fig.5.9.: Formas de onda del voltaje generado por el cicloconversor de 12 pulsos.

CAPÍTULO 6 CONVERTIDORES DE FRECUENCIA FIJA



CONVERTIDORES DIRECTOS DECONVERTIDORES DIRECTOS DEFRECUENCIA FIJA (AC-AC)FRECUENCIA FIJA (AC-AC)

6.1)6.1)INTERRUPTOR BIDIRECCIONAL DEINTERRUPTOR BIDIRECCIONAL DEESTADO SÓLIDOESTADO SÓLIDO

Circuito dedisparo

iG2 iG1

iS id

L

R

vdvs Circuito dedisparo

iG

iS id

L

R

vdvs

a) b)

Fig.6.1.: Interruptor estático de corriente alterna con: a) tiristores; b) triacs.

CAPÍTULO 6 CONVERTIDORES DIRECTOS DE FRECUENCIA FIJA


6.1.1)Convertidor AC-AC monofásico con control defase.-

α = 40ºv

vs

vd

iG1

iG2

ωt

ωt

ωt

α = 100º

v vd vs

iG1

iG2ωt

ωt

ωt

a)

iG1

iG2

ωt

vvd

vs

id

α=90ºα=110ºα=120ºα=150º

ωt

ωt

ωt

b)

NFig.6.2.: Convertidor AC-AC monofásico con control de fase: a) carga resistiva; b) carga

inductiva; c) característica de tensión en la carga.



6.1.2)Convertidor AC-AC monofásico con controlintegral de ciclos.

iG1

iG2

ωt

v vd vs

T2T1T

ωt

ωt

Fig.6.3.: Formas de onda del convertidor AC-AC monofásico de la figura 6.1 con controlintegral de ciclos.-

6.2)6.2)CONVERTIDOR AC-AC TRIFÁSICO.CONVERTIDOR AC-AC TRIFÁSICO.

n N

va

vb

vc

A

B

C

L R

L R

L R

+

+

+

T1

T2T3

T4T5

T6

ia

ib

ic

Fig.6.4.: Circuito de potencia de un convertidor AC-AC trifásico completamentecontrolado.



n N

va

vb

vc

A

B

C

L R

L R

L R

+

+

+

T1

T2T3

T4T5

T6

ia

ib

ic

0 ωt

va

vb

vc

ig1 ωtig2 ωtig3 ωtig4 ωtig5 ωt

ωtig6

0 ωt

ia

0 ωt

vab

T1

T4

T5

Fase a

Fase b

Fase c

T1

T4

T6

T1

T3

T6

T2

T3

T6

T2

T4

T5

T1

T4

T5

T1

T4

T6

T1

T3

T6

T2

T3

T6

T2

T3

T5

Fig.6.5.: Convertidor AC-AC trifásico completamente controlado con carga resistiva yα = 0º.



n N

va

vb

vc

A

B

C

L R

L R

L R

+

+

+

T1

T2T3

T4T5

T6

ia

ib

ic

0 ωt

α=30ºva vb vc

ig1 ωtig2 ωtig3 ωt

ωtig4

ig5 ωt

ωtig6

0 ωt

ia

0 ωt

vab

Fase a

Fase b

Fase c

T4

T 5

T1

T4

T5

T1

T4

T1

T4

T6

T1

T6

T1

T3

T6

T3

T6

T2

T3

T6

T2

T3

T2

T3

T5

T2

T5

T2

T4

T5

T4

T5

T1

T4

T5

T 1

T 4

T 1

T 4

T 6

T1

T6

T 1

T 3

T 6

T3

T6

T 2

T 3

T 6

Fig.6.6.: Formas de onda de un convertidor AC-AC trifásico completamente controlado(α = 30º).



Fig.6.7.: Corriente ia en un convertidor AC-AC trifásico con carga resistiva y diferentesángulos de disparo α.



Fig.6.8.: Oscilogramas de la corriente en el convertidor AC-AC trifásico de la figura 6.4con carga inductiva-resistiva.

CAPÍTULO 7 CONVERTIDORES DE CONMUTACIÓN FORZADA



CONVERTIDORES DECONVERTIDORES DECONMUTACIÓN FORZADACONMUTACIÓN FORZADA

7.1)7.1)PULSADORES.-PULSADORES.-Se los conoce también como:

* Convertidores CC-CC.* Choppers.

7.1.1)Principio de funcionamiento.-

ie

VB

T

iD L

R

id

vd

+

D

Fig.7.1.: Chopper reductor (Buck).



ie

VB

L

R

id

vd

+ iDL

R

id

vd

a) ton b) toff

vd

id

toffton

VB

0

iT1

iD1

t

t

t

T

c)

VB

Vd

0 1D

∫=T

dtT 0

1ddV v

Tton=D

d)Fig.7.2.: Chopper reductor: a) y b) circuitos equivalentes; c) formas de onda;d) tensión

versus ciclo de trabajo D.



VB

+VB

+vd

+

a) b)

T1

T2

VB

D1

D2

vd

id

+

+ vd

id

c)

vd

id

V

vd

id

T1

T2

R L

T3

T4

+

d)

Fig.7.3.: Estructuras básicas de convertidores CC-CC: a) reductor (Buck); b) elevador(Boost); c) de dos cuadrantes; d) de 4 cuadrantes (puente).



VB vdR

L

vL iT

T

iC

D iD id

+

iL

vd > VB

a)

VB

LiL

iT+

vdR

id

VB

L iD

vdR

idiL

+

b) ton c) toff

ton toffT

vd

iL

iT

iD

t

t

t

td)

Fig.7.4.: Convertidor CC-CC elevador (Boost): a), b) y c) circuitos de potencia yequivalentes; d) formas de onda.



vd

id

I

VB

T1

T2

D1

D2vd

id

iT1

iD2 L

R

VC

+

+

iT1

iD2

VB

vd id

toffton

t

t

t

a)

VB

T1

T2

D1

D2vd

id

iT2

iD1

L

R

VC

+

+

vd

id

II

vd

id

iT2

iD1

VB

toffton

t

t

t

t

b)

Fig.7.5.: Chopper de dos cuadrantes.



VB

vd

id

T3

T4

R L

D1

D2

iT1

iD2

T1

T2

D3

D4

+

iT4

iD3

I

id

vd

VB

-VB

0

iT1iT4

iD2iD3

vd

id

t

t

t

Fig.7.6.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante I.

id

vd

IIVB

vd

id

T3

T4

R L

D1

D2

iT1

iD2

T1

T2

D3

D4

+

iT4

iD3

+

0

VB

-VB

vd

id

t

Fig.7.7.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante II.



id

vd

IIIVB

vd

id

T3

T4

R L

D1

D2

iT1

iD2

T1

T2

D3

D4

+

iT4

iD3

0

VB

-VB

vd id

t

Fig.7.8.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante III.

VB

vd

id

T3

T4

R L

D1

D2

iT1

iD2

T1

T2

D3

D4

+

iT4

iD3

+

id

vd

IV

0

VB

-VB

id

vd

t

Fig.7.9.: Chopper de 4 cuadrantes (figura 7.3-d), en cuadrante IV.



7.2)7.2)INVERSORES.-INVERSORES.-

7.2.1)Inversores monofásicos.-

Inversor semipuente monofásico

vd

id

T1

T2

R L

iT1

iT2

D1

D2

iD1

iD2

2VB

2VB

+

+

a)

b) c)

Fig.7.10.: Inversor semipuente monofásico: a) circuito; b) formas de onda con cargaresistiva; c) formas de onda con carga resistiva-inductiva.

iBT2

iBT1

iD1

iD2

T

T/2

id

vdVB/2

-VB/2

iT1

iT2

t

t

t

t

t

t

t

T

T/2

id

vd

iT1

iT2

iD1

iD2

iBT2

iBT1

t

t

t

t

t

t

t

VB/2

-VB/2



Inversor puente monofásico

VB

vd

id

T3

T4

R L

D1

D2

iT1

iD2

T1

T2

D3

D4

iD1 iD3

iD4

iBT1

+

iT2

iT3

iT4

T

T/2

id

vdVB

-VB

iT1,T4

iT2,T3

iD1,D4

iD2,D3

iBT2,BT3

iBT1,BT4

t

t

t

t

t

t

t

Fig.7.11.: Inversor puente monofásico: a) circuito; b) formas de onda.



7.2.2)Inversor trifásico fuente de voltaje.-

Motora

b

c

N

+Vd

Fig.7.12.: Circuito de potencia de un inversor trifásico fuente de voltaje.

Motor

ab

c

N

VdvS

iS

Fig.7.13.: Inversor trifásico conectado a una red monofásica.

Motora

b

c

is

Vd+-

60-HzEntrada ac

N

Fig.7.14.: Inversor trifásico conectado a una red trifásica.



T1

T4

iT1

iT4

2V

d

2Vd

T2

T5

iT2

iT5

D2

D5

D1

D4

T3

T6

iT3

iT6

D3

D6

Carga

R S T

vRvS vT

dV

N

+

-

o

+

+

T1

T2

T3

T4

T5

T6

60 º0 º 120 º 180 º 240 º 300 º 360 ºConduce

No conduce

Vd

Vd

Vd

dV32

3dV

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

vRS

vST

vTR

vR

vS

vT

vNO Vd/6

Fig.7.15.: Formas de onda de voltajes en un inversor trifásico: a) estados de conducción; b)tensiones entre líneas; c) tensiones fase-neutro en la carga; d) tensión del neutro.

a)

b)

c)

d)



T1

T4

iT1

iT4

2Vd

2

Vd

T2

T5

D2

D5

D1

D4

T3

T6

D3

D6

Carga

R S T

vRvS vT

dV

N

+

-

o

+

+

iT2

iT5

iT3

iT6

iD1

iD4

Conduce No Conduce

T1

T2

vRS

iRvR ,

vRiR

iT1

iT4

iD1

iD4

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

Fig.7.16.: Formas de onda de voltajes y corrientes en un inversor trifásico sin modulación

CAPÍTULO 8 CIRCUITOS DE DISPAROS PARA SEMICONDUCTORES



CIRCUITOS DE DISPARO PARACIRCUITOS DE DISPARO PARASEMICONDUCTORESSEMICONDUCTORES

8.1)8.1)ELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITOELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITODE DISPARO.-DE DISPARO.-

T1

vc

220 Vref

Ld

R

iG

vd

Circuito dedisparo

Vcc

+vs

vs vsinc

iG

Tr

Fig. 8.1.: Esquema básico de un circuito de disparo.



Generador dediente de sierra

Tensión desincronismo

Comparador

vds

vc

Multivibradormonoestable

K Al Gate

Fig. 8.2.: Diagrama en bloques de un circuito de disparo elemental.

I

+Vcc

vsinc

-

+

+Vcc

-VB

R0

-

+

II

v1

C1

v2

vC

-

+III

v3v6

+Vcc

Multivibradormonoestable

Pulso dedisparo

+Vcc

Tr1

0

0

0

0

0

α=0º

α

∆

vC

Vm

vsinc:kvs

v1

v2

v3

v6

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

Fig. 8.3.: Circuito de disparo con amplificadores operacionales: a) circuito; b) formas deonda.

a)

b)



8.2)8.2)CIRCUITOS DE DISPARO CONCIRCUITOS DE DISPARO CONTRANSISTORES MONOJUNTURA.TRANSISTORES MONOJUNTURA.

R2

C

+Vcc

R1

R

vG

B2

B1

VBBE

vC

t

t

vC

vP

vG

τ1 τ2

Τ1 Τ2

Fig. 8.4.: Oscilador de relajación con transistor monojuntura.

R2

C

R

vG

Tr1

Carga

vS

+VZ

R3D1

α

vp=ηVBB

vG

vSvS

vZ

Fig. 8.5.: Circuito de control con transistor monojuntura.

a)

b)



8.3)8.3)CIRCUITOS DE DISPARO AISLADOSCIRCUITOS DE DISPARO AISLADOSPARA SCR.PARA SCR.

15 V

RG

D1

G

A

K

TG

D2

Señalde

pulso

Fig. 8.6.: Uso de transformador de pulso para aislar SCR.

Fuente de poderpara el circuito dedisparo del Gate

Retardodel

ángulo

Amplificadorde pulsos

Detección decruce por cero

vcontrol

Tierra delcontrol

Línea

1 2

3 4

Trafos depulsos

Fig. 8.7.: Diagrama general del circuito de disparo para un rectificador monofásico.



8.4)8.4)CIRCUITOS DE DISPARO INTEGRADOSCIRCUITOS DE DISPARO INTEGRADOSPARA TIRISTORES.PARA TIRISTORES.

10

Registro desincronismo

Detector decruce por

cero

C 10 monitor dedescarga

Transistor dedescarga

Control delcomparador

+

-

+

-

+

-

Iconst

acV.13≈ Lógica

14

15

4

2

3

7

6 13 121198

1

16

5SincronizaciónUsyn

Fuente

Us+

Tierra

1Q

2Q

1Q

2Q

QU

QZ

Uref U10

C8 R9 C10[RR] [CR]

U11

S6 S13 C12 [Ci]

+

+

+

+

R7

R3

R2

R4

Resistencia de larampa

Condensador de larampa

Voltaje de control

Inhibidor del pulso

Selección del largo delpulso para

1Q2

Qy

Selección del largo delpulso para y1Q 2Q

Fig. 8.8.: Circuito de disparo integrado TCA 785: a) diagrama de bloques; b) formas deonda.

a)

b)



Fig. 8.9.: Control de un tiristor en el circuito TCA 785.

Fig. 8.10.: Circuito de control de fase de un convertidor AC-AC monofásico.



Fig. 8.11.: Circuito de disparo para un rectificador trifásico semicontrolado.



Fig. 8.12.: Circuito de disparo con doble pulso para un rectificador trifásico puentetotalmente controlado.



8.5)8.5)CIRCUITOS DE DISPARO PARACIRCUITOS DE DISPARO PARATRANSISTORES DE POTENCIA.TRANSISTORES DE POTENCIA.

Del circuitode control

+

-

Comparador

VGG

G

E

RGDel circuitode control

IC

DS0026o

UC1706/07

VGG

Fig. 8.13.: Amplificación de la corriente por el gate.

RG

+15 V

3 kΩ

100pF

µF

IXLD4425

Del circuitode control

Optoacoplador(HPL-4503)

Fig. 8.14.: Circuito de disparo con aislación galvánica mediante acoplador óptico.



Aislaciónauxiliar de poderpara circuitos de

control base

Entradasde control

Tierra deseguridad

Lógica yelectrónicade control

Aislaciónde señal

Circuitode control

base

Aislaciónde señal

Circuitode control

base

Diodosantisaturación y/o

conexiones deprotección desobrecorriente

+

-vS

Vd

+

-

Df+

Df-

T+

T-

Vcc

Fig. 8.15.: Sobre la necesidad de la aislación de los pulsos de disparo.

R

L

Circuito dedisparo

iL

vL

Módulo

300 V

+

-

Fig.8.16.: Chopper de un cuadrante.



Fig.8.17: Encendido del transistor; a) VGE: 5V/div; b) VCE: 50V/div, tiempo: 500ns/div.

Fig.8.18: Corte del transistor, VCE: 50V/div, tiempo: 100ns/div.



Fig.8.19: Operación a 100 kHz, VCE: 50 V/div, IC: 10 A/div, Tiempo: 2 µs/div.

Fig.8.20: Operación a 100 kHz, IC: 10 A/div, Tiempo: 2 µs/div.

Fig.8.21: Cortocircuito en la carga, IC: 20 A/div, Tiempo: 2 µs/div.

CAPÍTULO 9 APLICACIONES Y CONTROL DE CONVERTIDORES ESTÁTICOS



APLICACIONES Y CONTROL DEAPLICACIONES Y CONTROL DECONVERTIDORES ESTÁTICOSCONVERTIDORES ESTÁTICOS

9.1)9.1)CONTROL DE RECTIFICADORES.-CONTROL DE RECTIFICADORES.-

M,G G

SincronismoControladorCorriente

ControladorVelocidad

iARef

iAn

nRef α

iA

Fig. 9.1.: Esquema de control básico de un motor de corriente continua



Fig. 9.2.: Control de una máquina de corriente continua alimentada por un rectificadorpuente.

nref

ia

iref

n

n=0

t

t

Fig. 9.3.: Comportamiento de las variables en el sistema de la figura 9.2.

Red

Red

G1 G1 R1 R2

CRbRb

R2R1

C

i'S

i'S

i''S i''SvS

vSvi vi

Fig. 9.4.: Transductores de corriente alterna para medir la corriente de salida delrectificador.

iaRefnRef α

ia

vc

ia

n

n

Carga



Fig. 9.5.: Control de velocidad en 4 cuadrantes con un convertidor dual con corrientecirculante.

t

t

t

t

iaia

id1

id2

icirculante

icirculante

ωref ωω

Fig. 9.6.: Inversión de marcha del motor de la figura 9.5.

ωref

ω

MG

G

iaref

icirc

icirc

id1

id1

id2

id2

ia

-1



L1 L2 L3

Circuito decomando

1≥&

M.G

G

ia

ia

irefn i

n

nref

vd

Fig. 9.7.: Control en 4 cuadrantes con un conversor dual sin corriente circulante.

Fig. 9.8.: Comportamiento temporal de variables de la figura 9.7 en una inversión de giro.



Comando1≥&

M.G

G

ia

ia

iref

Conmut.

L1 L2 L3

n

nref

Mediciónde ia

ia

UB

n i

Fig. 9.9.: Accionamiento de 4 cuadrantes con inversión del rotor.

Comando1≥&

M.G

G

ia

iref

Conmut.

L1 L2 L3

n

nref

Mediciónde i

a

UB

L1 L2

n i

Fig. 9.10.: Accionamiento de 4 cuadrantes con inversión del campo.



Control de velocidad

Control de corriente

nW

KR1 TR1

iW

KR2 TR2 Kt Tt

UR Ud

eM

Kd Td

id

mLTM

nM

Control de velocidad

Control de corriente

nW KR1(1+pTR1) iW Kte-pT

Tt

UR Ud

eMid

mLTM

nM

pTR1

KR2(1+pTR2)

pTR2

tKd

1+pTd

1

pTM

Fig. 9.11.: Diagramas de bloques de un motor de corriente continua controlado.

9.2)9.2)CONTROL DE CHOPPERS.CONTROL DE CHOPPERS.

9.2.1)El control de corriente de dos posiciones(histéresis).

V

vL

iL

T1

T2

R L

T3

T4

X T1, T4

T2, T3

X

2δ

ε

1

Comparador

εiLref

+

iL

X

Fig. 9.12.: Control de corriente de 2 posiciones (Bang-Bang).



Estrategia de control:

Si iLref > iL ⇒ iL debe aumentar

Si ε = iLref - iL > δ/2, x= “1”.

⇒ T1 y T4 conducen y vL = V ⇒ iL aumenta.

Si iLref < iL ⇒ iL debe disminuir

Si ε = iLref - iL < - δ/2, x= “0”.

⇒ T2 y T3 conducen y vL = - V ⇒ iL disminuye.

t

t

t

t

t

t

iL

iLref

iL

δ/2

δ

δiL

iLref

iL

vL vL

V

-V-V

V

0

1X

0

1X

Fig. 9.13.: Formas de onda del control de corriente de 2 posiciones: a) histéresis ancha; b)histéresis angosta.



Via

T1

T2

T3

T4

X T1, T4

T2, T3

Comparador

iaref

+

X

2δ

ε

1

PI Velocidad

ωref

+ω

ωia

a)

b)Fig. 9.14.: Máquina de C.C. alimentado por un chopper de 4 cuadrantes. Control de

corriente con histéresis: a) diagrama de bloques; b) formas de onda durante inversión demarcha.

Fig. 9.15.: Motor de C.C alimentado por un chopper de 1 cuadrante. Control de corrientecon histéresis.

00

w, w ref

ia, ia ref

w

wref

t

t

ia

ia ref

0



Fig. 9.16.: Arranque del motor de la figura 9.15.

9.2.2)Modulación del ancho de los pulsos (PulseWidth Modulation = PWM).

V

vL

iL

T1

T2

R L

T3

T4

X T1, T4

T2, T3

Comparador

εvCont

+

vd

'1'

'0'

Fig. 9.17.: Chopper con control PWM.



Principio de funcionamiento:

Si vcont > vd ⇒ x= “1”.

⇒ T1 y T4 conducen y vL = V.

Si vcont < vd ⇒ x= “0”.

⇒ T2 y T3 conducen y vL = - V.

a) b)

Fig. 9.18.: Chopper con control PWM: a) Vcont1 > 0;b) Vcont2 > Vcont1.

Vdm Vdm

vd , vcont Vcont 2Vcont 1 vd

X

'1'

'0'

X

'1'

'0'

t

t

tt

t

t

V

-V

vLvL

iL

iL

V

-V

vd , vcont vd



a) b)Fig. 9.19.: Chopper con control PWM: a) Vcont3 < 0; b) Mayor frecuencia de

conmutación.

a) b)Fig. 9.20.: Respuesta a escalón de referencia del modulador PWM con frecuencia de

conmutación: a) baja; b) más alta.

Vdm

vd , vcont

Vcont 3

vd

X'1'

'0'

t

t

t

V

-V

i L

vL

0

0

t

t

t

Vcont 3

vd

Vdm

vd , vcont

X'1'

'0'

vL

V

-Vi L

Vdm

VL

iL

Vdm

VL

iL

t

t

t

t

t

t

L=0.01[H]R= 20[Ω]

iL =15[A]

D=0.75

400

-400

0

10.5 1.5 2 [ms]0



Comparador

εVCont

+

vd

V

vL

iL

T1

T2

T3

T4ω

ωref

+ω

PI Velocidad

'1'

'0'

iaref

+ω

ia

Fig. 9.21.: Control de velocidad de un motor C.C alimentado por un chopper con controlPWM.

9.3)9.3)CONTROL DE INVERSORES.CONTROL DE INVERSORES.

9.3.1)Inversor monofásico controlado por histéresis.

V

vL

iL

T1

T2R

L

T3

T4

X T1, T4

T2, T3

X

2

δ

ε

1

Comparador

εiLref

+

iL

a)

b)Fig. 9.22.: Inversor monfásico con control por histéresis: a) diagrama funcional; b) formas

de onda.

i*L

0

i L

t



9.3.2)Inversor monofásico con modulación PWM.

V

vL

iL

T1

T2

R L

T3

T4

X T1, T4

T2, T3

Comparador

εvCont

+

vd

'1'

'0'

Fig. 9.23.: Inversor monofásico con modulación PWM.

(1/fs)

0

0

vcont vd

vLvL1

Fig. 9.24.: Formas de onda del inversor monofásico con modulación PWM de la figura9.23.



Fig. 9.25.: Variación de frecuencia con modulación PWM: a) 120 V- 60 Hz; 120 V- 30 Hz.

Fig. 9.26.: Variación de amplitud con modulación PWM: a) 120 V – 60 Hz; 60 V – 60 Hz.

a)

b)

a)

b)



Fig. 9.27.: Variación de voltaje y frecuencia en un inversor monofásico con modulaciónPWM: a) 60 Hz – 120 V; b) 30 Hz – 60 V; c) 20 Hz – 40 V.

a)

b)

c)



9.3.3)Inversor trifásico con control de corriente.

V

C.D

C.D

δia*

+

ia

XaN

n

ia ib ic

va vb vc

vab vbca b c

Xa

T1

T2

T3

T4

T5

T6

Nota: Las fases b y c tienen un control similar.

0

0

0

vab

va

ia

ωt

ωt

ωt

ia*

b)Fig. 9.28.: Inversor trifásico con control de corriente por histéresis: a) circuito; b) formas

de onda.

a)



9.3.4)Inversor trifásico con modulación PWM.

T1

T2

T3

T4

T5

T6

V

C.D

C.D

Xa

Xa

N

n

iA iB iC

vA vB

vABvC

A B CvBC

vA*

+

vd

vB*

+

vd

vC*

+

vd

Xb

Xc

vd

t

Nota: Las fases b y c tienen un control similar.

Fig. 9.29.: Inversor trifásico con modulación PWM: a) circuito; b) formas de onda.

a)

b)



0

0

0

0

vAC

vA

iA

ωt

ωt

ωt

ωt

vA*

vB* vC

* vd

Fig. 9.30.: Inversor trifásico con modulación PWM, comportamiento de la corriente decarga.

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