Síntesis De Máquinas Eléctricas

Los sistemas de control de motores eléctricos se encuentran orientados a regular, según sea el caso la velocidad o el torque de la máquina, con la mayor precisión posible y al mismo tiempo con la mayor velocidad de respuesta posible frente a los cambios en la carga.

La electrónica de potencia permite controlar, a través del encendido y apagado de interruptores, ya sea los voltajes o las corrientes de armadura y campo de la máquina de modo de controlar directamente el torque y la velocidad. Adicionalmente, es posible también controlar las condiciones a la partida de los motores de modo de obtener un arranque "suave", que beneficie la vida útil de las máquinas y minimice el impacto que percibe la red eléctrica al conectarlas como cargas.

8.1 Introducción a la Electrónica de Potencia

8.1.1 Interruptores

Desarrollo de válvulas de Electrónica de Potencia

• 1947 Transistor

• 1954 Diodo de Silicio

• 1957 Tiristor (SCR)

• 1961 Tiristor con capacidad de apagado(GTO)

• 1976 Mosfet

• 1982 IGBT

Características de las válvulas de electrónica de potencia

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Los tiristores son las válvulas más robustas en lo que a voltaje y corriente se refiere, sin embargo su velocidad de conmutación es bastante reducida. Por su parte, los Mosfet poseen una velocidad de conmutación muy alta pero no soportan elevadas tensiones entre bornes, ni corrientes en conducción. En una posición intermedia se encuentran los IGBT, los BJT y los GTO cuyas características de robustez y controlabilidad los hacen muy apropiados para aplicaciones de media y alta potencia. Pese a la investigación y avances en materiales semiconductores, características de dopaje, etc., las válvulas mencionadas no se comportan como interruptores ideales.

Interruptor ideal vs interruptor real

En el primer gráfico de cada caso aparece el estado del interruptor, encendido (la válvula conduce corriente entre sus terminales) o apagado (no hay conducción de corriente), el segundo gráfico muestra el voltaje y corriente entre bornes y el tercer gráfico ilustra las pérdidas en la válvula.

8.1.2. Conversores de potencia

Un conversor de potencia es un dispositivo compuesto de interruptores que recibe una determinada potencia de entrada y obtiene en su salida una potencia controlada de acuerdo a los requerimientos de la carga. La controlabilidad de la potencia se logra mediante en el encendido y apagado de las válvulas.

Los conversores de potencia pueden clasificarse, en forma básica en:

• Conversores AC-DC: Convierten la potencia eléctrica de entrada, de un nivel y frecuencia determinados, en potencia continua de un nivel determinado. Dentro de este tipo de conversores se encuentran los rectificadores no controlados, semicontrolados y controlados.

• Conversores DC-AC: Convierten la potencia continua de entrada en potencia alterna con una forma de onda, nivel de voltaje o corriente y frecuencia determinados. La salida puede ser una forma de onda senoidal, rectangular o una composición mixta de fundamental y armónicas. Los conversores de este tipo se denominan inversores y su grado de controlabilidad depende de las válvulas que lo conforman.

• Conversores DC-DC: Convierten una potencia continua no regulada en potencia continua con un nivel de voltaje determinado. Dentro de este tipo de conversores se encuentran los chopper tipo Buck (el voltaje de salida es menor o igual que el de entrada), chopper Boost (el voltaje de salida es igual o superior al de entrada) o una combinación de ambos (conversor tipo Cuk, doble puente buck-boost, etc.).

• Conversores AC-AC: Convierte potencia alterna de nivel y frecuencia determinados (fijos) a potencia alterna de nivel y frecuencia variables determinados por el usuario o por las condiciones de carga. Dentro de los conversores de este tipo se encuentran los ciclos convertidores.

8.2. Conversión AC-DC: rectificador

Los conversores AC-DC, se definen de acuerdo a la complejidad de su circuito y a las válvulas que lo componen, las cuales determinan en forma directa el grado de controlabilidad del conversor. De este modo podemos definir:

• Rectificador o puente de media onda: consiste en utilizar tres diodos o tiristores, uno por cada fase, conectados entre la fuente (fase respectiva) y la carga DC. El retorno de la corriente se efectúa por el neutro de la fuente o del secundario del transformador según corresponda. La tensión generada por este tipo de puente es controlada a partir del ángulo de disparo del tiristor (si se trata de diodos, entonces es no controlada), posee una generación importante de armónicos que se transfieren al lado de alterna y consecuentemente a la red.

• Rectificador o puente de onda completa o puente de Graetz: en este caso se emplean un par de válvulas por cada fase. Al igual que el caso anterior, el voltaje se controla a través del ángulo de disparo de los interruptores, sin embargo es posible obtener un valor máximo DC equivalente al doble del caso anterior.

• Rectificador hexafásico o de seis pulsos: se conecta la carga a través de un transformador con punto medio en los devanados secundarios. Los interruptores (seis) se encuentran conectados en configuración de cátodo común a la barra positiva del lado DC, en tanto que los ánodos se conectan a los terminales respectivos del secundario del transformador. El retorno de corriente (barra negativa) se conecta al punto medio de los devanados del secundario del transformador. El voltaje generado es controlado por el disparo de las válvulas y el valor máximo factible de obtener es superior al del puente de media onda, pero inferior al puente de onda completa.

En general, los rectificadores pueden clasificarse de acuerdo a su grado de controlabilidad en:

• Rectificador no controlado: en este caso, las válvulas que componen el rectificador son únicamente diodos, por lo tanto no existe control sobre el encendido ni el apagado de los interruptores.

• Rectificador semicontrolado: los interruptores conectados a la barra positiva son válvulas controladas (SCR, por ejemplo) y los tiristores conectados a la barra negativa son diodos (no controlables).

• Rectificador controlado: se tiene control sobre los interruptores ya sea sobre el ángulo de encendido (SCR's) o encendido y apagado (IGBT's, GTO's, etc.).

8.2.1. Calculo de la tensión generada.

Para obtener el valor de la tensión generada en función del ángulo de disparo debe considerarse:

8.2.2. Calculo

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