Cicloconvertidores - Tipos y aplicaciones

En las aplicaciones industriales se utilizan dos formas de energía eléctrica: la corriente continua (DC) y la corriente alterna (AC). La CA de tensión y corriente constantes está disponible directamente. Sin embargo, para diferentes aplicaciones, se necesitan formas diferentes, tensiones diferentes y/o corrientes diferentes. Se necesitan convertidores para conseguir diferentes formas. Estos convertidores se clasifican en rectificadores, choppers, inversores y cicloconvertidores.

Un cicloconvertidor es un dispositivo que convierte la energía de CA a una frecuencia en energía de CA de una frecuencia ajustable pero inferior, sin ninguna etapa de corriente continua, o CC, en medio. También puede ser reconocido como un cargador de recurrencia estática y contiene rectificadores regulados por silicio. Los cicloconvertidores se utilizan en accionamientos de frecuencia variable muy grandes, con potencias desde unos pocos megavatios hasta muchas decenas de megavatios.

A continuación se describe el principio del cicloconvertidor utilizando un cicloconvertidor monofásico a monofásico.

A continuación se muestra un cicloconvertidor monofásico de entrada (a) de 50 Hz, (b) de 25 Hz, (c) de 12,5 Hz de entrada monofásica a salida monofásica.

Tiristores2Tiristores3

El rectificador convierte de CA monofásica o trifásica a tensión continua variable. Los choppers convierten de CC a tensión de CC variable. Los inversores convierten de c.c. a c.a. monofásica o trifásica de frecuencia variable. Los convertidores cíclicos convierten la CA monofásica o trifásica en CA monofásica o trifásica de magnitud variable y frecuencia variable. Un cicloconvertidor tiene cuatro tiristores divididos en un banco positivo y otro negativo de dos tiristores cada uno.

Esquema básico del cicloconvertidor:

El cicloconvertidor se conecta a la entrada entre 30 y 31, como se muestra a continuación. El motor se conecta entre 25 y 26.

Dependiendo de los impulsos de activación que se alimenten a un conjunto de 8 SCR entre su puerta y su cátodo, obtendremos F o F/2 o F/3.

Cicloconvertidor
Cicloconvertidor

Tipos de cicloconvertidores:

Existen principalmente dos tipos de cicloconvertidores, el de modo de bloqueo y el de modo de circulación. Cuando la corriente de carga es positiva, el convertidor positivo suministra la tensión necesaria, y el convertidor negativo está bloqueado. Si la corriente de carga es negativa, el convertidor negativo suministra la tensión y el positivo se bloquea. Esta operación se denomina funcionamiento en modo de bloqueo. Los cicloconvertidores que utilizan este método se denominan cicloconvertidores de modo de bloqueo.

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Por casualidad, si los dos convertidores están activados, se producirá un cortocircuito en la alimentación. Para evitarlo, hay que conectar un reactor intergrupo (IGR) entre los convertidores. Si los dos convertidores están activados, se produce una corriente circulante. Ésta es unidireccional porque los tiristores permiten que la corriente fluya en una sola dirección. Los cicloconvertidores que utilizan este enfoque se denominan convertidores de corriente circulante.

Cicloconvertidores de modo de bloqueo:

Los cicloconvertidores en modo de bloqueo no necesitan ningún reactor intergrupo (IGR). Dependiendo de la polaridad, se habilita uno de los convertidores. El funcionamiento en modo de bloqueo tiene algunas ventajas y desventajas respecto al funcionamiento en modo de circulación. No necesitan reactores, por lo que el tamaño y el coste son menores. Sólo un convertidor está en conducción en todo momento en lugar de dos. Durante el tiempo de retardo, la corriente permanece en cero, lo que distorsiona las formas de onda de la tensión y la corriente. Esta distorsión se traduce en patrones armónicos complejos.

Cicloconvertidores de corriente circulante:

En este caso, los dos convertidores funcionan siempre. La gran desventaja es que se necesita un IGR. El número de dispositivos que se conectan a éste es el doble que el del cicloconvertidor de corriente de bloqueo.

Principios de los cicloconvertidores:

Los principios de funcionamiento de los cicloconvertidores pueden clasificarse en los tres tipos siguientes en función del tipo de alimentación de CA aplicada al circuito.

Cicloconvertidor monofásico a monofásico:

Ciclo

La comprensión de los principios de funcionamiento de los cicloconvertidores debe comenzar con el cicloconvertidor monofásico a monofásico. Este convertidor tiene una conexión espalda con espalda de dos rectificadores de onda completa. Supongamos que para obtener una cuarta parte de la tensión de entrada en la salida, durante los dos primeros ciclos de Vs el convertidor positivo funciona suministrando corriente a la carga y rectifica la tensión de entrada. En los dos ciclos siguientes, el convertidor negativo funciona suministrando corriente en sentido inverso. Cuando uno de los convertidores funciona, el otro se desactiva para que no haya corriente circulando entre los rectificadores. En la siguiente figura, Vs representa la tensión de alimentación de entrada y Vo es la tensión de salida necesaria, que es una cuarta parte de la tensión de alimentación.

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Imagen para una cuarta parte de la tensión de entrada en la salida utilizando un cicloconvertidor monofásico a monofásico

Cicloconvertidor

Cicloconvertidores trifásicos a monofásicos:

Al igual que los convertidores anteriores, el cicloconvertidor trifásico a monofásico aplica una tensión rectificada a la carga. Los cicloconvertidores positivos suministran sólo corriente positiva, mientras que los negativos sólo suministran corriente negativa. Los cicloconvertidores pueden funcionar en cuatro cuadrantes como modos de rectificación (+v, +i), (+v, -i) y modos de inversión (-v, +i), (-v, -i). La polaridad de la corriente determina si el convertidor positivo o negativo debe suministrar energía a la carga. Cuando se produce un cambio en la polaridad de la corriente, el convertidor que antes suministraba corriente se desactiva y el otro se activa. Durante la inversión de la polaridad de la corriente, la tensión media suministrada por ambos convertidores debe ser igual.

Cicloconvertidor trifásico a trifásico:

Existen dos configuraciones básicas para los cicloconvertidores trifásicos, como son la delta y la estrella. Si las salidas del convertidor anterior se conectan en estrella o delta y si las tensiones de salida están desfasadas 120º, el convertidor resultante es trifásico a trifásico. Los convertidores trifásicos se utilizan principalmente en sistemas de accionamiento de máquinas que funcionan con máquinas síncronas e inductoras trifásicas.

Aplicaciones de los cicloconvertidores:

Los cicloconvertidores pueden producir tensiones de salida ricas en armónicos. Cuando los cicloconvertidores se utilizan para una máquina de CA en funcionamiento, la inductancia de fuga de la máquina filtra la mayoría de los armónicos de alta frecuencia y reduce la tensión de los armónicos de orden inferior.

Control de la velocidad del motor de inducción monofásico

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Los motores de inducción monofásicos se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones. Las mejoras en su rendimiento suponen un gran ahorro en el consumo de energía eléctrica. Se propone un controlador de velocidad basado en un cicloconvertidor.

Control de la velocidad del motor de inducción monofásico
Control de la velocidad del motor de inducción monofásico

El diagrama del circuito anterior puede utilizarse para controlar la velocidad de un motor de inducción monofásico en tres pasos utilizando cicloconvertidores y tiristores. El circuito utiliza un cicloconvertidor controlado por tiristores que permite controlar la velocidad en pasos de un motor de inducción. Para los microcontroladores de la serie 8051, se proporcionan un par de interruptores deslizantes para seleccionar el rango de velocidad necesario para el funcionamiento del motor de inducción. Estos interruptores se interconectan con el microcontrolador para suministrar los pulsos que activan los SCR en un puente doble. Así, la velocidad del motor se puede conseguir en tres pasos.

Otras aplicaciones en las que se pueden utilizar los cicloconvertidores son los accionamientos de molinos de cemento, los accionamientos de propulsión de barcos, los trenes de laminación y las bobinadoras de minas, las lavadoras, las bombas de agua y también se utilizan en la industria. Si tienes más preguntas sobre este tema o sobre los proyectos eléctricos y electrónicos, deja la sección de comentarios más abajo.

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