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Unformatted text preview: T ELEC PO RÓNICA DE ENCIA RECTIFICADORES, ACCIONAMIENTOS PARA MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Y CONTROLADORES DE VOLTAJE ALTERNO o o o o o Kr eω m(s) ωmr(s) + - Σ + Ks CONT. DE VEL. (P) Ec(s) EI(s) LIM. DE CORR. Σ B A o o Tm(s) C o Kc KI CONT. DE CORR. Ia(s) Vm(s) + Σ - 1 Ra KaΦ Kt (1+sτ t) TL(s) + Σ 1 ω m(s) B+sJ KaΦ TACO-GENERADOR Gilberto J. Martínez P. ELECTRÓNICA DE POTENCIA Rectificadores, Accionamientos para Motores de Corriente Continua y Controladores de Voltaje Alterno S GILBERTO JOSÉ MARTÍNEZ PINO PROFESOR TITULAR DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICERRECTORADO BARQUISIMETO BARQUISIMETO, VENEZUELA A mis queridos Padres, por su apoyo y comprensión, y a María Gabriela, mi adorada Hija. PREFACIO El presente trabajo tiene como objetivo fundamental el análisis en régimen de estado estable y el diseño de los circuitos convertidores de potencia más utilizados en la práctica, clasificados como rectificadores en sus versiones monofásicas y trifásicas, accionamientos para motores de corriente continua y controladores de voltaje alterno. Estos últimos orientados al gobierno de motores de inducción de “jaula de ardilla”. Los elementos comúnmente utilizados en los circuitos convertidores de potencia son el Diodo Semiconductor, el Rectificador Controlado de Silicio (SCR), conocido con la nominación genérica de “Tiristor”, el TRIAC, el GTO (Gate TurnOff Thyristor) y el Transistor de Potencia. La utilización de estos elementos en un circuito convertidor de potencia en particular depende esencialmente de los niveles de corrientes y tensiones a controlar y del costo del accionamiento como un todo. En el desarrollo del contenido del texto los circuitos convertidores de potencia se analizarán asumiendo que los mismos están conformados por diodos y tiristores, en virtud de que su operación en régimen de estado estable no difiere al cambiar los elementos de potencia. Asimismo, las señales de disparo o activación ilustradas como parte de las formas de ondas de operación de los circuitos en estudio son apropiadas para el gobierno de tiristores. El contenido del texto está organizado en capítulos, iniciando la discusión en el Capítulo 1 con los Rectificadores Monofásicos Controlados, la cual será de gran utilidad en el análisis de las versiones trifásicas de estos circuitos estudiadas en el Capítulo 2. El Capítulo 3 presenta una revisión de los aspectos generales de los Motores de Corriente Continua más utilizados en la práctica, incluyendo principio de funcionamiento, arranque, frenado y operación multicuadrante. En el Capítulo 4 se estudian los circuitos rectificadores analizados en los dos primeros capítulos acoplados ahora a máquinas de corriente continua de excitación separada a fin de conformar el convertidor de potencia del accionamiento del motor. El Capítulo 5 resume el comportamiento de los accionamientos de velocidad ajustable en lazo cerrado para motores de corriente continua de excitación separada con diferentes tipos de controladores (Proporcional y Proporcional-Integral). El Capítulo 6 inicia la discusión de los controladores de voltaje alterno utilizados tanto con cargas estáticas, como en el gobierno de motores de inducción trifásicos. Finalmente, en los Capítulos 1, 2 y 6 se incluyen las Secciones 1.5, 2.5 y 6.6, respectivamente, relacionadas con la Simulación de Rectificadores Monofásicos y Trifásicos Controlados y Controladores de Voltaje Alterno, las cuales introducen al estudiante en el manejo de Programas de Simulación, como es el caso de la Versión de Evaluación del Programa PSpice1. __________________________________________________ PSpice es una marca Registrada de MicroSim Corporation viii En la exposición de los tópicos mencionados el autor asume que el lector posee conocimientos en las áreas de Electrónica de Potencia Básica, Máquinas Eléctricas y Teoría de Control. La discusión de los tópicos más relevantes está reforzada con ejemplos a fin de clarificar aspectos importantes de los mismos. Asimismo, los problemas propuestos al final de los Capítulos 1, 2, 3, 4 y 6 permiten al lector o instructor profundizar más en los análisis planteados. Todos los ejemplos y problemas pueden resolverse con calculadoras de bolsillo; sin embargo, se recomienda un modelo programable para aquellos casos en que el lector desea comprobar las estimaciones de algunos parámetros obtenidas mediante cálculos gráficos realizando las operaciones de cálculo numérico involucradas. La totalidad del contenido del libro puede utilizarse en un segundo curso de Electrónica de Potencia o Electrónica Industrial al nivel de pregrado en el área de Ingeniería Electrónica. De igual manera, pudiera emplearse en postgrado en las áreas de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. El manuscrito fue preparado en el Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”, Vicerrectorado Barquisimeto, y muchos de los aspectos planteados en el contenido del texto han sido desarrollados en el curso de pregrado Electrónica Industrial II (EL-1233) del pensum de estudios de Ingeniería Electrónica y en el curso de postgrado Electrónica de Potencia (IE-51053) de Ingeniería Eléctrica Mención Potencia. Es el deseo del autor que el libro sea de utilidad tanto para estudiantes de Ingeniería Electrónica y Eléctrica como para los instructores universitarios en las áreas mencionadas. GILBERTO JOSÉ MARTÍNEZ PINO CONTENIDO CAPÍTULO 1. RECTIFICADORES MONOFÁSICOS CONTROLADOS 1-1 1.1 TIPOS DE RECTIFICADORES MONOFÁSICOS CONTROLADOS 1-2 1.2 PUENTE MONOFÁSICO COMPLETO 1-7 1.2.1 Modos de Operación del Puente Monofásico Completo, 1-7. 1.2.2 Identificación de los Modos de Operación del Puente Monofásico Completo, 1-28. 1.2.3 Evaluación de los Parámetros γ, VO, ION e IORN durante la Operación de Corriente Discontinua del Puente Monofásico Completo, 1-32. 1.2.4 Evaluación de los Parámetros VO, ION e IORN durante la Operación de Corriente Continua del Puente Monofásico Completo, 1-35. 1.2.5 Efecto de la Inductancia de Dispersión, Ls, del Transformador de Alimentación durante la Operación de Corriente Continua del Puente Monofásico Completo, 1-37. 1.2.6 Estimación de la Inductancia de Carga Mínima para la Operación de Corriente Continua en el Puente Monofásico Completo, 1-39. 1.3 PUENTE MONOFÁSICO INCOMPLETO 1-44 1.3.1 Modos de Operación del Puente Monofásico Incompleto, 1-44. 1.3.2 Identificación de los Modos de Operación del Puente Monofásico Incompleto, 1-58. 1.3.3 Evaluación de los Parámetros γ, VO, ION e IORN durante la Operación de Corriente Discontinua del Puente Monofásico Incompleto, 1-61. 1.3.4 Evaluación de los Parámetros VO, ION e IORN durante la Operación de Corriente Continua del Puente Monofásico Incompleto, 1-61. 1.3.5 Evaluación de los Parámetros VAENT, FP, IQ e IQR durante la Operación de Corriente Continua del Puente Monofásico Incompleto, 1-65. 1.3.6 Estimación de la Inductancia de Carga Mínima para la Operación de Corriente Continua en el Puente Monofásico Incompleto, 1-68. 1.4 CORRIENTE DE RIZADO NORMALIZADA, IORIN, EN LOS RECTIFICADORES MONOFÁSICOS CONTROLADOS TIPO PUENTE 1-68 x 1.5. SIMULACIÓN COMPUTADORA POR MONOFÁSICOS CONTROLADOS DE RECTIFICADORES 1-72 1.5.1 Modelos para la Simulación de Circuitos Rectificadores Monofásicos Controlados para la Simulación por Computadora, 1-72. PROBLEMAS, 1-83. CAPÍTULO 2. 2.1 RECTIFICADORES TRIFÁSICOS CONTROLADOS PUENTE TRIFÁSICO COMPLETO 2-1 2-3 2.1.1 Modos de Operación del Puente Trifásico Completo, 2-6. 2.1.2 Identificación de los Modos de Operación del Puente Trifásico Completo, 2-14. 2.1.3 Evaluación de los Parámetros γ, VO, ION e IORN durante la Operación de Corriente Discontinua del Puente Trifásico Completo, 2-18. 2.1.4 Evaluación de los Parámetros VO, ION e IORN durante la Operación de Corriente Continua del Puente Trifásico Completo, 2-20. 2.1.5 Estimación de la Inductancia de Carga Mínima para la Operación de Corriente Continua en el Puente Trifásico Completo, 2-21. 2.2 PUENTE TRIFÁSICO INCOMPLETO 2-26 2.2.1 Modos de Operación del Puente Trifásico Incompleto, 2-27. 2.2.2 Identificación de los Modos de Operación del Puente Trifásico Incompleto, 2-46. 2.2.3 Evaluación de los Parámetros γ, VO, ION e IORN durante la Operación de Corriente Discontinua del Puente Trifásico Incompleto, 2-49. 2.2.4 Evaluación de los Parámetros VO, ION e IORN durante la Operación de Corriente Continua del Puente Trifásico Incompleto, 2-52. 2.2.5 Estimación de la Inductancia de Carga Mínima para la Operación de Corriente Continua en el Puente Trifásico Completo, 2-54. 2.3 PUENTE TRIFÁSICO COMPLETO CON DIODO DE DESCARGA 2.3.1 Modos de Operación del Puente Trifásico Completo con Diodo de Descarga, 2-58. 2.3.2 Identificación de los Modos de Operación del Puente Trifásico Completo con Diodo de Descarga, 2-66. 2.3.3 Evaluación de los Parámetros γ, VO, ION e IORN durante la Operación de Corriente Discontinua del Puente Trifásico Completo con Diodo de Descarga, 2-69. 2-57 xi 2.3.4 Evaluación de los Parámetros VO, ION, IORN, PO, VAENT y FP durante la Operación de Corriente Continua del Puente Trifásico Completo con Diodo de Descarga, 2-70. 2.3.5 Estimación de la Inductancia de Carga Mínima para la Operación de Corriente Continua en el Puente Trifásico Completo con Diodo de Descarga, 2-73. 2.4 2.5. CORRIENTE DE RECTIFICADORES COMPLETO RIZADO NORMALIZADA, IORIN, EN LOS TRIFÁSICOS CONTROLADOS TIPO PUENTE 2-75 SIMULACIÓN POR COMPUTADORA DE LOS RECTIFICADORES TRIFÁSICOS CONTROLADOS 2-76 PROBLEMAS, 2-85. CAPÍTULO 3. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA 3-1 3.1. TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA 3-2 3.2. RELACIONES Y CARACTERÍSTICAS VELOCIDAD – TORQUE DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA 3-3 3.3. MÉTODOS DE CONTROL DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA 3-10 3.4. ARRANQUE DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA 3-16 3.5. FRENADO DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA 3-16 3.5.1 Frenado Regenerativo, 3-17. 3.5.2 Frenado Dinámico o Frenado Reostático, 3-20. 3.5.3 Frenado por Aplicación de Voltaje Inverso, 3-25. 3.6. OPERACIÓN MULTICUADRANTE DE UN MOTOR DE EXCITACIÓN SEPARADA CON FRENADO REGENERATIVO 3-26 3.7. LIMITACIONES EN TORQUE Y POTENCIA DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA EN LA OPERACIÓN MULTICUADRANTE 3-28 3.8. CONTROL DE VELOCIDAD Y OPERACIÓN MULTICUADRANTE 3.8.1 Disminución de la Velocidad del Motor en un mismo Sentido de Rotación, 3-30. 3.8.2 Inversión del Sentido de Rotación del Motor, 3-32. 3-30 xii 3.8.3 Incremento de la Velocidad del Motor en un mismo Sentido de Rotación, 3-33. 3.9. FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA DE EXCITACIÓN SEPARADA 3-35 3.9.1 Control por Voltaje de Armadura, 3-35. 3.9.2 Control por Flujo de Campo, 3-41. PROBLEMAS, 3-42. CAPÍTULO 4. ACCIONAMIENTOS PARA MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA 4-1 4.1. ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN ACCIONAMIENTO DE VELOCIDAD AJUSTABLE PARA MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA 4-2 4.2. CIRCUITOS RECTIFICADORES UTILIZADOS EN ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD AJUSTABLE PARA MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA 4-4 4.3. OPERACIÓN DE FRENADO EN UN MOTOR DE EXCITACIÓN SEPARADA 4-8 4.4. MOTOR DE EXCITACIÓN SEPARADA ALIMENTADO CONVERTIDOR MONOFÁSICO COMPLETO POR UN 4-10 4.4.1 Modos de Operación del Convertidor Monofásico Completo, 4-10. 4.4.2 Ecuaciones en Régimen de Estado Estable del Convertidor Monofásico Completo Acoplado a un Motor de Excitación Separada, 4-20. 4.4.3 Identificación de los Modos de Funcionamiento en las Fases de Motorización y Regeneración, 4-28. 4.4.4 Características Velocidad - Torque de un Motor de Excitación Separada Alimentado por un Convertidor Monofásico Completo, 4-33. 4.5. MOTOR DE EXCITACIÓN SEPARADA ALIMENTADO CONVERTIDOR MONOFÁSICO INCOMPLETO POR UN 4.5.1 Modos de Operación del Convertidor Monofásico Incompleto, 4-38. 4.5.2 Ecuaciones en Régimen de Estado Estable del Convertidor Monofásico Incompleto Acoplado a un Motor de Excitación Separada, 4-38. 4.5.3 Identificación de los Modos de Funcionamiento en la Fase de Motorización, 4-43. 4-37 xiii 4.5.4 Características Velocidad - Torque de un Motor de Excitación Separada Alimentado por un Convertidor Monofásico Incompleto, 4-46. 4.6. MOTOR DE EXCITACIÓN SEPARADA ALIMENTADO CONVERTIDOR TRIFÁSICO COMPLETO POR UN 4-47 4.6.1 Modos de Operación del Convertidor Trifásico Completo, 4-47. 4.6.2 Ecuaciones en Régimen de Estado Estable del Convertidor Trifásico Completo Acoplado a un Motor de Excitación Separada, 4-48. 4.6.3 Identificación de los Modos de Funcionamiento en las Fases de Motorización y Regeneración, 4-50. 4.6.4 Características Velocidad - Torque de un Motor de Excitación Separada Alimentado por un Convertidor Trifásico Completo, 4-50. 4.7. MOTOR DE EXCITACIÓN SEPARADA ALIMENTADO CONVERTIDOR TRIFÁSICO INCOMPLETO POR UN 4-54 4.7.1 Modos de Operación del Convertidor Trifásico Incompleto, 4-54. 4.7.2 Ecuaciones en Régimen de Estado Estable del Convertidor Trifásico Incompleto Acoplado a un Motor de Excitación Separada, 4-55. 4.7.3 Identificación de los Modos de Funcionamiento en la Fase de Motorización, 4-60. 4.7.4 Características Velocidad - Torque de un Motor de Excitación Separada Alimentado por un Convertidor Trifásico Incompleto, 4-60. 4.8. MOTOR DE EXCITACIÓN SEPARADA ALIMENTADO POR UN CONVERTIDOR TRIFÁSICO COMPLETO CON DIODO DE DESCARGA 4-63 4.8.1 Modos de Operación del Convertidor Trifásico Completo con Diodo de Descarga, 4-64. 4.8.2 Ecuaciones en Régimen de Estado Estable del Convertidor Trifásico Completo con Diodo de Descarga Acoplado a un Motor de Excitación Separada, 4-64. 4.8.3 Identificación de los Modos de Funcionamiento en la Fase de Motorización, 4-66. 4.8.4 Características Velocidad - Torque de un Motor de Excitación Separada Alimentado por un Convertidor Trifásico Completo con Diodo de Descarga, 4-68. 4.9. CORRIENTE DE RIZADO EN LA ARMADURA Y SUS EFECTOS EN LA OPERACIÓN DEL MOTOR 4-69 4.9.1 Efectos de la Corriente de Rizado, 4-70. xiv 4.9.2 Determinación de la Corriente de Rizado y Estimación del Filtro Inductivo, 4-71. 4.10. 4.10.1 4.10.2 OPERACIÓN MULTICUADRANTE DE LOS CONVERTIDORES COMPLETOS ACOPLADOS A UN MOTOR DE EXCITACIÓN SEPARADA 4-80 Inversión de la Corriente de Armadura, 4-81. Inversión de la Corriente de Campo, 4-89. PROBLEMAS, 4-91. CAPÍTULO 5. 5.1. CONTROL DE VELOCIDAD EN LAZO CERRADO MOTOR DE EXCITACIÓN SEPARADA 5-1 5-2 5.1.1 Control de Velocidad en Lazo Cerrado de un Motor de Excitación Separada, 5-3. 5.1.2 Control de Corriente, 5-6. 5.1.3 Influencia del Torque de Carga, 5-11. 5.2. PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UN CONTROLADOR DE VELOCIDAD EN LAZO CERRADO 5-17 5.3. ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD AJUSTABLE DE UN CUADRANTE CAPÍTULO 6. CONTROLADORES DE VOLTAJE ALTERNO 5-24 6-1 6.1. TIPOS DE CONTROLADORES DE VOLTAJE ALTERNO 6-2 6.2. CONTROLADOR MONOFÁSICO DE VOLTAJE ALTERNO DE ONDA COMPLETA 6-6 6.3. CONTROLADOR TRIFÁSICO DE VOLTAJE ALTERNO DE SEIS (6) 6-17 SCR’S EN ESTRELLA 6.4. CONTROLADOR TRIFÁSICO DE VOLTAJE ALTERNO DE SEIS (6) 6-26 SCR’S EN DELTA 6.5. MOTORES DE INDUCCIÓN TRIFÁSICOS 6-34 xv 6.5.1 Operación de los Motores de Inducción Trifásicos, 6-35. 6.5.2 Operación de los Motores de Inducción con Controladores de Voltaje Alterno, 6-43. 6.6. SIMULACIÓN POR COMPUTADORA DE LOS CONTROLADORES TRIFÁSICOS DE VOLTAJE ALTERNO 6-52 PROBLEMAS, 6-49. BIBLIOGRAFÍA BI-1 APÉNDICE A. FAMILIAS DE CURVAS DE m EN FUNCIÓN DE γ Y DE m EN FUNCIÓN DE IORN PARA LOS CIRCUITOS RECTIFICADORES MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS CONTROLADOS DURANTE LA OPERACIÓN DE CORRIENTE DISCONTINUA. A-1 APÉNDICE B. DATOS TÍPICOS DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA ALIMENTADOS CON 230V EN LA ARMADURA. B-1 L CAPÍTULO 1 os rectificadores controlados conforman una extensa familia de convertidores de potencia que emplean para su funcionamiento elementos semiconductores, como son los SCR’s (SILICON CONTROLLED RECTIFIERS), usualmente conocidos con el nombre genérico de “TIRISTORES”, Transistores de Potencia con tecnología MOSFET, GTO’s (GATE TURN-OFF THYRISTORS) y Rectificadores Monofásicos Controlados Transistores Bipolares de Compuerta Aislada (IGBT’s). El objetivo básico de estos circuitos de potencia es el de llevar a cabo el proceso de conversión de una señal alterna de amplitud y frecuencia constante a una señal continua pulsante, mediante la inserción de elementos controlados, como los arriba indicados, entre un circuito de carga y dicha señal de alimentación. La diferencia entre un circuito rectificador o sistema controlado por Transistores de Potencia y un circuito o sistema similar controlado por Tiristores reside fundamentalmente en la naturaleza de las señales de control aplicadas a los elementos de potencia; es decir, en los métodos utilizados para el disparo o encendido, y apagado o conmutación de dichos dispositivos. Mientras que en un transistor basta con remover la señal de activación para que éste pase al estado de bloqueo, en un tiristor algunas veces, dependiendo del tipo de señal de alimentación, se hace necesario la utilización de un circuito de conmutación o apagado auxiliar después que la señal de activación ha sido removida. Sin embargo, bajo condiciones de estado estable, el análisis de la operación de ambos circuitos de potencia es independiente del tipo de dispositivos semiconductores utilizados, y por tanto, se puede asumir que todos los convertidores a ser considerados están conformados por diodos de potencia y tiristores. Asimismo, las formas de ondas de las señales de activación asociadas a estos 1-2 Rectificadores Monofásicos Controlados convertidores serán aplicables sólo a tiristores. En este capítulo se estudiarán los principales tipos de rectificadores monofásicos controlados, se analizarán sus formas de ondas de operación en cada uno de los diferentes modos de funcionamiento, haciendo énfasis en los diagramas de operación resultantes de dicho análisis, y con especial interés, se indicarán procedimientos que permitan la determinación de los parámetros esenciales de cualquier rectificador controlado, por lo que el procedimiento a utilizar en el análisis y diseño de estos circuitos seleccionados podrá ser aplicado a otros circuitos rectificadores controlados, como también a aquellos circuitos no controlados que emplean diodos solamente. 1.1 TIPOS DE RECTIFICADORES MONOFÁSICOS CONTROLADOS Los rectificadores monofásicos controlados pueden clasificarse en forma general considerando, bien sea el número de fases de la fuente alterna de alimentación, o el número de pulsos de corriente que ellos suministran al circuito de carga durante un ciclo de la señal alterna de alimentación. Por ejemplo, el circuito rectificador monofásico controlado mostrado en la Figura 1.1 provee un único pulso de corriente al circuito de carga durante un ciclo de la señal alterna de alimentación (semiciclo positivo), por lo que se denomina Rectificador Monofásico Controlado de Media Onda o “Rectificador Controlado de un Pulso”. Las formas de ondas de operación: voltaje de entrada vi(t) = √2Vsenωt, voltaje de salida vo(t), corriente de salida io(t), corriente de línea iL(t) y señal de activación ig1 para el rectificador monofásico controlado de media onda se ilustran en la Figura 1.1, así como también los intervalos de conducción y apagado del tiristor Q1 definidos por los siguientes parámetros: α = β = m = η = Ángulo de Disparo, Encendido o Activación, definido como “el intervalo medido en grados eléctricos o radianes mediante el cual, haciendo uso del proceso de Control de Fase, se retrasa el inicio de la conducción de los semiconductores de potencia, en relación al mismo circuito cuando los tiristores son reemplazados por diodos”. α + γ = Ángulo de Extinción o Apagado, donde γ representa el período de conducción, también medido en grados eléctricos o radianes, del tiristor Q1. Relación de voltajes = E/√2V. sen-1 m = sen-1 (E/√ √2V), indica el ángulo, en grados eléctricos o radianes, en el cual la señal de alimentación vi(t) iguala el valor de la fuerza electromotriz, E, del circuito de carga. Del aná...
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