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...debido a las aplicaciones cada vez más frecuentes de la llamada electrónica de potencia,
En los sistemas eléctricos de potencia ha habido una transformación importante en los últimos 25 años...
que esencialmente es aprovechar las ventajas que en materia de control y regulación ofrecen los dispositivos electrónicos, que por las magnitudes de corriente, voltaje y potencia que manejan, se les conoce en un área de la electrónica que se denomina como “LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA”.
2
Dentro de las aplicaciones más comunes se encuentran la de los Sistemas Eléctricos de Potencia en la Transmisión de Energía y en el Control de Máquinas Eléctricas.
En este trabajo, se hace una revisión de los principales aspectos que en las aplicaciones tiene la electrónica de potencia y el impacto que tiene en el desarrollo tecnológico de la ingeniería eléctrica convencional.
3
En la industria actual es difícil aislar la tecnología de la electrónica de potencia de las máquinas eléctricas y esto requiere necesariamente de un conocimiento relativamente superficial de algunos dispositivos de estado sólido, como son por ejemplo: los diodos, los tiristores, triacs, los transistores bipolares, los transistores MOSFET, los transistores IGBT y de algunas otras componentes electrónicas, como son:
los amplificadores lineales, puentes rectificadores, inversores, dispositivos optoelectrónicos.
...QUE SON APLICADOS A SU VEZ A ELEMENTOS COMO:4
Controladores de voltaje de corriente alterna (C.A.), es decir, C.A. a C.A,
Rectificadores controlados (C.A. a C.D.),
Chopper (C.D. a C.D.) para convertir un voltaje fijo en C.D. a un voltaje variable en C.D.,
Inversores (C.D. a C.A.),
Ciclo convertidores (C.A. a C.A.), es decir, con aplicaciones en su mayoría a sistemas de control.
5
En los últimos años, se ha dificultado la transmisión de la energía eléctrica debido a que existen cada vez restricciones más severas para el uso de derecho de vía.
Adicionalmente a esto, se deben construir líneas de gran longitud en ciertos casos, lo que introduce problemas de transporte de potencia a gran distancia, de estabilidad dinámica y de voltaje y de controlabilidad del flujo.
6
Lo anterior, ha motivado la necesidad de incorporar un concepto basado en la aplicación de la electrónica de potencia, que se conoce (por sus siglas en inglés) como FACTS y cuyo propósito es dar flexibilidad a la transmisión de la energíaen base a dos objetivos principales:
Incrementar la capacidad de transferencia de potencia en los sistemas de transmisión.
Mantener el flujo en las trayectorias de la red para que se establezcan de acuerdo a las distintas condiciones operativas.
Las funciones principales de los controladores FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems), se indican a continuación:
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FUNCIÓN CONTROLADORES FACTS Y EQUIPO CONVENCIONAL
Control de voltaje
Plantas generadoras. Cambiadores de Taps en
transformadores de tipo convencional. Bancos de capacitores
convencionales. Compensador estático de Vars
(SVC). Compensador estático síncrono
(STATCOM). Controlador unificado de flujo de
potencia (UPFC). Superconductor de energía
(SMES). Sistema de almacenamiento de
energía en batería (BESS). Compensador estático convertible.
8
FUNCIÓN CONTROLADORES FACTS Y EQUIPO CONVENCIONAL
Control de flujo de potencia
Plantas generadoras. Compensación serie convencional. Capacitor serie controlado por
tiristores (TCSC). Reactor en serie controlado por
tiristores (TCSR). Cambiador de fase controlado
por tiristores (TCPST). Controlador unificado de flujo de
potencia (UPFC). Compensador serie estático
síncrono (SSSC).
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FUNCIÓN CONTROLADORES FACTS Y EQUIPO CONVENCIONAL
Estabilidad transitoria
Capacitor serie convencional. Resistencia controlada por
tiristores (TCBR). Compensador estático de VARS
(SVC), compensador estático síncrono (STATCOM) TCSE. Métodos convencionales: Sistemas
de excitación. Seccionamiento de Líneas de Transmisión.
Estabilidad dinámica
Capacitor serie convencional. Estabilizador de sistemas de
potencia. TCSC, SVC, STATOM, UPFC.
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Las aplicaciones básicas de los controladores de sistemas de transmisión en corriente alterna flexibles (FACTS) se pueden resumir como sigue:
En el control del flujo de potencia, los requisitos de velocidad de respuesta son mínimos y se pueden lograr mediante el uso de equipo convencional (capacitores o reactores en serie), también con transformadores reguladores de ángulo de fase.
11
Normalmente este control requiere de una capacidad continua, incremental de alta velocidad, de tal forma que para prevenir una inestabilidad potencial en el voltaje, se puede requerir de la aplicación de un SVC, o bien de un STATCOM.
12
Cuando se tienen problemas potenciales de estabilidad
dinámica, se requiere normalmente del uso de controles
suplementarios, esto se puede lograr en ocasiones con
equipo convencional, como por ejemplo con el uso de
capacitores serie, pero sí es necesario tener una mejor
respuesta que amortigüe sensiblemente las oscilaciones de
potencia, se pueden usar SVC, STATCOM, TCSC o algún otro
controlador a base de electrónica de potencia.
13
I
I
R
R
INSTALACIÓN DE UN REACTOR CONTROLADO POR TIRISTORES
CORRIENTE EN EL REACTOR
14
IC
IC
CORRIENTE EN EL CAPACITOR
INSTALACIÓN DE UN CAPACITOR CONTROLADO POR TIRISTORES
15
APLICACIONES DE COMPENSACIÓN EN DERIVACIÓN SERIE EN LOS SISTEMAS DE POTENCIA
COMPENSADOR ESTÁTICO DE VAR (SVC)
COMPENSACIÓN SERIE (SC)
16
PL
TIEMPO
SIN SVC
CON SVC
PLA B C
OTRA APLICACIÓN DEL COMPENSADOR ESTÁTICO DE VAR (SVC)SE ENCUENTRA EN EL AMORTIGUAMIENTO DE LAS OSCILACIONES DE POTENCIA
17
EL REACTOR TOMA LA CORRIENTE DEL CAPACITOR Y DE CADA UNO DE ELLOS AL CONECTARSE
I
I
I
I
I
I
C
C
R
R
N
N
CORRIENTE TOTAL
CORRIENTE EN EL CAPACITOR
CORRIENTE EN EL REACTOR
INSTALACIÓN DE UN TSC / TCR
18
I
I
L1 L2 L3
TC2 + 2S4 + 4P
DISPARO
ALARMAd2
d1
Iub2
INSTALACIÓN DE LOS CAPACITORES EN ALTA TENSIÓN
19
DISTANCIA
1000400 200 100 60 40 20 10
POTENCIA (MW)
TENSIONES NOMINALESDE DISEÑO
1 CIRCUITO SINCOMPENSACIÓN
2 COND/FASE
1 COND/FASE
230 kV115 kV
400 kV
CONDUCTOR CALIBRE 1113 KCM
Km
600
1000
400
200
100 80
60
40
20
10
POTENCIA TRANSMITIDA POR LÍNEAS EN FUNCIÓN
DE LA DISTANCIA Y VOLTAJE
20
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA EN UN SISTEMA CON COMPENSACIÓN EN DERIVACIÓN
ÁNGULO DE POTENCIA EN GRADOS
POTE
NC
IA R
EAL
Y R
EAC
TIVA
EN
P.U
.5
P
P = POTENCIA ACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓ
Q = POTENCIA REACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓQ = POTENCIA DE COMPENSACIÓN (REACTIVA)
PP
P = POTENCIA INICIAL DE OPERACIÓN EN ESTADO ESTABLE
s
s
s
s
sc
o
c
o
COMPENSACIÓN EN DERIVACIÓN
4
3
2
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
21
COMPENSACIÓN DE POTENCIA REACTIVA CON CAPACITORES SERIE CONECTADOSEN EL EXTREMO DE SALIDA DE LA LÍNEA
ÁNGULO DE POTENCIA EN GRADOS
POTE
NC
IA R
EAL
Y R
EAC
TIVA
EN
P.U
.10
9
11
P
P = POTENCIA ACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓ
Q
Q = POTENCIA REACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓQ = POTENCIA DE COMPENSACIÓN (SERIE)
PP
P = POTENCIA INICIAL DE OPERACIÓN EN ESTADO ESTABLE
s
s
s
sc
o
c
o
COMPENSACIÓN EN SERIE
8
7
6
5
4
3
1
2
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
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VARIACIÓN DE LA POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA EN EL EXTREMO DE ENVIÓ CON EL ÁNGULO DE POTENCIA
ÁNGULO DE POTENCIA EN GRADOS
POTE
NC
IA R
EAL
Y R
EAC
TIVA
EN
P.U
. 3.0
P
P = POTENCIA ACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓ
Q
Q = POTENCIA REACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓ
P
P = POTENCIA INICIAL DE OPERACIÓN EN ESTADO ESTABLE
s
s
s
s
o
o
SIN COMPENSACIÓN
2.5
2.0
1.5
1.0
0.020 40 60 80 100 120 140 160 1800
δ
23
Antes de los accionamientos de C.A. y C.D., existía el concepto de control de movimiento, que se daba en la forma de arranque y paro de las máquinas, usando vapor y medios neumáticos, así como medios hidráulicos. Aún en la actualidad, hay un número importante de elementos de control no electrónicos que permanecen en las máquinas que están en la industria.
El control del movimiento puede ser tan simple como abrir o cerrar una válvula o tan complejo como programar un robot para desarrollar varios movimientos simultáneamente.
24
El arranque y paro de motores eléctricos es control del movimiento.
Existen muchos métodos y disciplinas usadas para el control del movimiento, sin embargo, la aparición de los accionadores electrónicos han cambiado el concepto sensiblemente...
.... y lo han acercado más con la automatización, que puede incluir aspectos mecánicos, eléctricos o de computación.
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Los accionamientos electrónicos para motores eléctricospueden tener aplicaciones particulares, en donde es necesario considerar:
Las necesidades específicas del usuario,
La localización del accionamiento y
El comportamiento requerido.
Para tomar una decisión sobre la aplicación de estos
accionamientos, es necesario revisar algunos conceptos
como los siguientes:
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¿Cuál es el costo de los accionamientos
comparados con otros elementos
convencionales, por ejemplo, los de tipo electromagnético?
¿Qué dificultades de instalación tienen los
accionamientos de C.D. y de C.A. y cuál sería el
mantenimiento requerido?
¿Qué tipo de aplicación del motor C.D. o C.A. es
necesaria y qué resultados se esperan?
¿Qué tipo de accionamiento de C.D. o de C.A es mejor aplicar?
27
28
CADA PARTE DEL SISTEMA DE ACCIONAMIENTO DEL MOTOR AFECTA LA EFICIENCIA Y LA
CONFIABILIDAD
29
En las industrias, el movimiento se acciona principalmente por aire (neumático), líquidos (neumáticos), vapor, o más frecuentemente, energía eléctrica; el menos común es el vapor, que es usado algunas veces en las centrales eléctricas para accionar turbinas y generar electricidad.
Los sistemas neumáticos e hidráulicostienden a requerir un alto mantenimiento
30
Los sistemas hidráulicos tienden a tener fugas y, por lo general, son sucios, por lo que en algunos casos son inaplicables, debido a sus efectos sobre el medio ambiente, por ejemplo, son casi prohibitivos en la industria alimenticia.
Los sistemas neumáticos frecuentemente obtienen agua externa y son ruidosos, la pérdida de presión que pudieran tener genera un comportamiento deficiente en las instalaciones.
31
En la introducción del motor de inducción, surgieron varios métodos para reducir su velocidad en distintas aplicaciones.
En el inicio, cuando las primeras máquinas fueron accionadas por motores eléctricos, éstos actuaban como primo motores, siendo motores de C.A., de velocidad constante... más adelante fue necesario controlar la velocidad y se encontraron ventajas en algunos motores de C.D., ya que los motores de C.A. que operan a velocidad constante, se constituyen eventualmente en desperdiciadores de energía.
32
En el transcurso del tiempo, se encontraron varias técnicas
para reducir la velocidad de los motores eléctricos, todas
ellas orientadas a los motores eléctricos de C.A., la
mayoría de estas técnicas fueron enfocadas hacía los
aspectos mecánicos y algunas para aplicaciones específicas
de la industria, y que a lo largo del tiempo han sido
usadas, ...hasta que aparecieron los dispositivos
electrónicos que los sustituyen en muchas aplicaciones, sin
requerir de tanto mantenimiento, ni desperdiciar mucha
energía.
33
Algunos de estas técnicas son:
Los acoplamientos por medio de poleas y bandas,
Los acoplamientos por medio de engranes,
Los acoplamientos por medio de cadenas y
Los acoplamientos con fluido.
Usados para el control de arranque suave, una variante de estos acoplamientos con fluido, son los variadores de fluido hidrostático.
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Para los fines del control, el motor de corriente directa ha sido por cerca de un siglo el caballo de batalla de la industria, para accionar estos motores tomando como alimentación un sistema trifásico de corriente alterna, que debe ser rectificado y eventualmente actuar como un regulador de velocidad ajustable para el motor.
El accionamiento de C.D., emplea conceptos básicos de las técnicas de conversión de potencia, para controlar tanto la velocidad como el par del motor de C.D., considerando por supuesto que el motor puede operar bajo diferentes condiciones de carga.
35
De hecho, un controlador de C.D., debe ser capaz de
modificar dinámicamente distintos niveles de salida
de voltaje y corriente, para controlar par y
velocidad y responder en forma apropiada a todo
tipo de cambios en las cargas, para esto, la
tecnología actual usa dispositivos de estado sólido.
El circuito equivalente de un accionamiento de C.D., se muestra en la figura siguiente: Las dos principales componentes que se deben controlar son: armadura y el devanado de campo del motor.
36
C.A.
REGULADORDE VOLTAJE
REGULADORDE CORRIENTE
ARMADURADEVANADO
DECAMPO
CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN ACCIONADOR DE C.D.
Mas allá de mantener el voltaje apropiado de campo del motor y también su corriente, el accionamiento de C.D., debe controlar o regular el voltaje y la corriente a la armadura del motor.
37
En las siguientes figuras, se muestra cómo el voltaje en la armadura es proporcional a la velocidad del motor y también como el par es proporcional a la corriente de armadura.
VELOCIDAD DEL
MOTOREN C.D.
VOLTS EN LA ARMADURA
CURVA DE VOLTAJE EN LA ARMADURA
PAR DEL MOTOREN
C.D.
CORRIENTE DE LA ARMADURA
CURVA DE CORRIENTE EN LA ARMADURA
38
EL PUENTE DE POTENCIA DEL ACCIONADOR.
El corazón de un accionamiento en C.D. es el puente de potencia que alimenta la armadura y el devanado de campo del motor.
El puente más común en un sistema de dos cuadrantes, es el llamado controlador de armadura de seis tiristores del tipo no regenerativo, por lo general los seis SCR’s se proporcionan en tres módulos que están separados, esto forma un puente rectificador de onda completa, cada tiristor está controlado en forma independiente por un circuito disparado por la compuerta.
39
Frecuentemente están unos transformadores de pulso que ayudan a aislar el voltaje, también se tiene una red de supresión del tipo RC (resistor/capacitor), que limita el índice de elevación del voltaje a través de los tiristores para reducir el riesgo de un disparo en falso.
40
ARREGLOS DE ACCIONAMIENTOS RETROALIMENTADOS.
Si un accionamiento de C.D. está diseñado para
desarrollar correctamente una aplicación, entonces debe
estar preparado para usar varias formas de
retroalimentación, como mínimo deben tener una corriente
y un voltaje de retroalimentación; la corriente está
directamente relacionada con el par del motor, el voltaje
está relacionado con la velocidad.
41
El par del motor de C.D., está controlado por un monitoreo
continuo, obteniéndose los valores reales relativos a la
armadura, estos valores se obtienen monitoreando la
corriente trifásica al puente de potencia vía
transformadores de corriente o resistores de corriente en
derivación (shunt), esto da una indicación de qué valores
de corriente están siendo enviados al motor.
42
Estos valores de corriente son rectificados y luego asignados a un derivador para obtener el valor deseado de corriente que puede utilizar el controlador. Esta es una de las razones por las que muchos accionadores tienen tamaños físicos similares, a pesar de tener distintas capacidades en HP.
La retroalimentación de velocidad es un poco más complicada, hay tres métodos para proporcionar retroalimentación por velocidad, éstos se indican en la tabla siguiente:
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Métodos para proporcionar retroalimentación de velocidad
TIPO DE RETROALIMENTACIÓN REGULACIÓN DE VELOCIDAD
Armadura (voltaje) Tacómetro de C.D. Tacómetro digital
2-3 % 1% 0.01%
La forma más simple es la retroalimentación de voltaje como una señal de error en el regulador de C.D.
44
45
Debido a los problemas de costo de la energía, la eficiencia de los equipos eléctricos se tenía que incrementar y se desarrollaron nuevas formas de ahorro de energía, ..
...una que se tenía disponible pero que no era usada, involucraba la conversión de corriente alterna en corriente directa y, entonces, se invertía esta energía en corriente alterna y variando la frecuencia a un motor eléctrico, esta tecnología ahorra energía, pero el costo para implementar tal equipo resultaba extremadamente alto, por lo tanto, permaneció sin usar hasta que cundió el pánico en las compañías eléctricas. ¿Qué se debería hacer en las fábricas para reducir el consumo de energía?.
46
Una posibilidad era hacer cada parte del equipo tan eficiente como fuera posible, otra fue instalar motores de corriente alterna de la llamada eficiencia-premium en cualquier lugar donde resultara práctico.
El problema es:
¿qué hacer con todos los motores de C.A. existentes y en operación?
En particular aquéllos que operan a velocidad plena y que incorporan medios mecánicos para hacerlos más lentos, asícomo aquellos motores que accionan bombas y ventiladores y reducen los flujos de líquidos o gases, que es difícil reemplazar por motores de alta eficiencia al no haber causas justificadas.
47
El uso de los accionamientos de C.A., ha proliferado, no sólo por los programas de conservación de la energía, también por ofrecer la posibilidad de tener mejores procesos de control, arranques más suaves y mejor protección, con esta proliferación se han tenido reducciones de costos en forma importante.
Los drives de C.A., han tenido sus principales aplicaciones en la industria, pero actualmente tienen también penetración en el campo comercial y, en la medida que los costos bajen, tendrá presencia también en los hogares.
48
Para clasificar el concepto, un accionamiento que cambia
eléctricamente la entrada eléctrica a un motor se debería
llamar un accionamiento eléctrico o mejor dicho, un
accionamiento electrónico de C.A., es electrónico debido
a que actualmente los accionamientos electrónicos
combinan elementos eléctricos de potencia con tecnología
de microprocesadores para mejorar su funcionamiento.
49
Los principales componentes de un accionamiento electrónico de C.A. son el puente de potencia y la sección de control.
En la siguiente figura, se muestra en un diagrama de bloques simplificado, las dos principales secciones de potencia:
El eslabón de C.D. y
El esquema de control.
A
B
50
El puente de potencia, la manera cómo deriva la retroalimentación eléctrica del motor y las formas de onda de salida, definen el tipo de accionamiento a usar.
Como su contraparte, todos los accionamientos en C.A., deben tener una sección de potencia que convierte potencia de C.A. en potencia de C.D.
51
En la siguiente figura, se muestra el puente convertidor, llamado también algunas veces, el extremo frontal del accionador en C.A., el convertidor es comúnmente un puente rectificador trifásico de onda completa.
52
Comparado con el convertidor de fase controlada de los
viejos accionamientos en C.A., los convertidores actuales
proporcionan una mejoría en el factor de potencia, un
mejor comportamiento a la distorsión armónica y una
sensibilidad a la secuencia de fase entrante.
53
La siguiente componente, es el llamado bus de C.D. o Filtro, que se muestra en la siguiente figura y que es común a todos los dispositivos electrónicos de C.A., esta es la sección de los circuitos de los accionadores donde muchos fabricantes filtran el voltaje de C.D.
También se usan capacitores o bobinas para asegurar que el voltaje deseado de C.D., o las corrientes de C.D. están alimentadas de la sección del inversor.
54
En el bus de C.D., se tienen funciones de protección valiosas, el voltaje de C.D., se monitorea para ondas y se comparan con los límites máximos admisibles para proteger a los dispositivos de las sobretensiones.
55
La porción principal de un accionamiento de C.A., es la sección del inversor, desde un punto de vista básico, este puente de potencia es realmente la componente de diferenciación en los accionadores, esto es, donde la energía en C.D. en voltaje constante se invierte nuevamente a energía en C.A., a través de la red de potencia de semiconductores.
Los accionamientos en C.D., no tienen una sección de inversión, esto hace que se puedan considerar los accionamientos en C.A., como más complejos y caros.
56
Los inversores, se clasifican como:
.. de fuente de voltaje, de fuente de corriente o del tipo voltaje variable, dependiendo de la forma de C.D. que el inversor recibe del bus de C.D., y es también una función de cómo el accionamiento ha sido diseñado para corregir su propio lazo de retroalimentación eléctrica.
Este lazo es realmente parte de una comparación con la salida del inversor al motor y las cargas del mismo, para mantener al motor operando a la velocidad deseada, el accionamiento debe corregir constantemente el flujo del motor.
57
Si el accionamiento recibe un voltaje de C.D. constante, se dice que es una “Fuente de voltaje tipo inversor” (USI); en esta condición el inversor debe poner atención tanto a la frecuencia y a la amplitud del voltaje de C.D.
58
Si en cambio recibe una señal de voltaje que varía, entonces se llama “Inversor de voltaje variable” (VVI); en este caso, debido a que el voltaje es variable, el inversor está relacionado principalmente con la frecuencia para mantener el control.
59
El último tipo de inversor, se denomina “Inversor de fuente de corriente” (CSI), son fuentes de C.D. desde el bus de C.D., esta corriente puede ser variable, y con el VVI, el inversor tiene que controlar principalmente la frecuencia para una operación apropiada.
Un inversor de fuente de corriente, tiene normalmente más componentes que uno de voltaje, y es por lo mismo más complejo.
60
Los accionamientos electrónicos de C.A. se clasifican:
Por su uso, voltaje del bus de C.D. o forma de onda de la fuente de corriente, o también, por el tipo de dispositivo de potencia usado en la sección del inversor.
Por su aplicación, hay accionamientos de tracción en C.A., accionamientos de vector, inversores de conmutación de carga, etc.
Por su fuente de voltaje, por la fuente de alimentación de voltaje (VSI) o de corriente (CSI).
61
Se pueden llamar también, “De ancho de pulso modulado” (PWM), o bien, de amplitud de pulso modulado (PAM), como su nombre lo indica, se refiere a la forma de onda de salida del accionamiento.
Finalmente, los accionamientos en C.A., se refieren como “transistorizados” (IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) y también del tipo SCR de seis pasos.
62
La clasificación de los accionamientos por su función o
aplicación, es una de las más comunes y, por lo mismo, es
la que se describe con mayor detalle, ya que los
accionamientos de C.A., se clasifican usualmente por la
forma de la onda de salida.
El principal objetivo del accionamiento de C.A., es variar la
velocidad del motor dando una aproximación lo más
cercana posible a la forma de onda senoidal.
63
Actualmente es el más común, generalmente tiene transistores integrados en la sección del inversor para facilitar el patrón de switcheo que controla el ancho de los pulsos al exterior del motor.
La frecuencia de la salida de un accionamiento PWM, se controla aplicando pulsos positivos en la mitad de un período y pulsos negativos en la siguiente mitad del período.
64
El voltaje en C.D., lo proporciona un diodo rectificador no controlado, de manera que switcheando el transistor del inversor en posición dentro (ON) y fuera (OFF), muchas veces por cada medio ciclo, se obtiene una forma de onda de corriente Seudo-Senoidal. Estos inversores de seis pulsos (PWM), producen algún contenido de armónicas.
Un circuito llamado H (Figura A), que consiste de cuatro transistores arreglados, como se muestra en la figura siguiente, se puede usar como un accionamiento reversible de motor de C.D. en el modo PWM, estos transistores se pueden reemplazar por MOSFET o IGBT.
65
66
67
Existen distintas secuencias posibles de switcheo para un puente tipo H, pero la más simple es girando Tr1 y Tr2ON/OFF simultáneamente y Tr3 y Tr4 en el estado opuesto.
La forma de onda a través de las terminales del motor, se muestran en la figura anterior (B), donde se observa que el voltaje promedio varía continuamente de acuerdo con el ancho del pulso.
Una aplicación típica de los convertidores de gran capacidad, son los controladores de velocidad de motores grandes.
68
CONVERTIDOR DE POTENCIA USADO COMO UN CONTROLADOR DE VELOCIDAD AJUSTABLE
PARA UN MOTOR GRANDE DE CORRIENTE DIRECTA
69
El rectificador es típicamente de 12 pulsos y suministra voltaje ajustable a la armadura del motor, la velocidad se varía ajustando el voltaje en la armadura.
Los motores de C.D., se usan en el accionamiento de una maquinaria pesada, en capacidades hasta 6000 HP, como los usados en el laminado de grandes bloques de metal.
70
RECTIFICADOR ESTÁTICO DE SEIS PULSOS QUE SUMINISTRA VOLTAJE DE C.D. A LA ARMADURA DEL MOTOR
Este sistema representa un controlador trifásico para motor de C.D., que no es más que un simple rectificador trifásico de 6 pulsos que alimenta un voltaje E a la armadura del motor de C.D.
Se trata de un motor de C.D. con devanado de campo en derivación (separada), que se alimenta por medio de un campo rectificador.
71
72
AJUSTE DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA
VARIANDO EL ÁNGULO DE DISPARO DEL TIRISTOR :
A. PARO DEL MOTOR A 90º.
B. ROTACIÓN EN EL SENTIDO HORARIO A 30º.
C. ROTACIÓN A MÁXIMA VELOCIDAD EN SENTIDO HORARIO A 0º.
D. LA MÁQUINA ACTÚA COMO GENERADOR PARA OBTENER UN FRENADO DINÁMICO.
73
La figura anterior, representa el principio del control de armadura de un motor de C.D., en este caso, si la excitación del campo se mantiene constante, entonces el flujo por polo es constante y la velocidad del motor depende del voltaje en la armadura.
El ángulo de encendido de los tiristores debe ser ajustado para controlar la velocidad del motor, que varía en proporción directa al voltaje de armadura (E).
74
Otra aplicación importante de la electrónica de potencia, se
encuentra en el arranque y control de los motores
trifásicos de inducción, que tienen como uso
principalmente las máquinas de tipo industrial y que por
las variadas aplicaciones en el accionamiento de distintos
tipos de cargas requieren de métodos de arranque y
control de velocidad con las siguientes ventajas:
75
Arranque sin paros bruscos.
Aumento progresivo de velocidad.
Limitación en la corriente de arranque.
Uso reducido de los sistemas mecánicos de transmisión.
Estos métodos de arranque reemplazan a otros arrancadores de tecnología electromagnética, como son:
Estrella-Delta, por medio de resistencias en el rotor o en el estator, por medio del transformador.
76
M3 CARGA
MODULADORDE
ENERGÍA
COMANDO SEGURIDAD
LIMITACIÓN DE LA CORRIENTEDE ARRANQUE
CONSIGNA DEARRANQUE
RED 3 O
O
77
La tensión de alimentación se aplica en forma progresiva al estator del motor, la variación de la tensión en el estator se obtiene mediante la variación continua del ángulo α de retardo al disparo o arranque de los tiristores del modulador de energía.
La consigna de arranque permite regular la pendiente de una señal en forma de rampa, esta consigna estáescalonada en segundos.
78
Debajo del valor de esta pendiente (ángulo βregulable) los tiempos td necesarios de la señal de rampa para evolucionar 0 a Vmáx varían.
Una lógica electrónica asociada permite convertir:
Vrampa = f(t) en α = f(t)
haciendo evaluar Vestator motor = f(t) de 0 a VN
durante el tiempo td de arranque deseado.
79
ÁNGULO DE RETARDOEN EL ARRANQUE
α
V
V
V
V
RAMPA
RAMPA MÁX
ESTATOR DEL MOTOR
n
t
t
t
td
180°
0
80
M3 O
RED 3 O
FILTROSDE
TENSIÓN
TRENDE
IMPULSOS
INTERFASEDE
SALIDA
ENTRADA 2O LOGÍSTICAEXCLUSIVA
SALIDAENTRADA 1
CONECTORDE
CORRIENTE
+_
COMPARADOR
MEDICIÓNDE
CORRIENTE
GENERADORDE
RAMPA
81
VINDUCIDO
I INDUCIDOt
t
0
0
CORRIENTE NO INTERRUMPIDA
VINDUCIDO
I INDUCIDOt
t
0
0
CORRIENTE INTERRUMPIDA
E = K .
Th Th
Th’ Th’
1 2
1 2
M
(Tr)
CARGA
(E,R)
L (EVENTUAL)
i
I
O
82
Th Th1 2
D D1 2 D.R.L.
M CARGA
(Tr)
i
ESQUEMA ESTRUCTURAL (TIRISTORES CON CÁTODOS COMUNES)
th th
T T
1 2D1D2
D.R.L. D.R.L. D.R.L.
2t
t
t
t30
0
0
V
I
INDUCIDO
INDUCIDO
ELEMENTOSEN CONDUCCIÓN
T T2
t
t
V
I
INDUCIDO
INDUCIDO
CURVA ASOCIADA
O
83
FILTRO
ONDULADORREDUCTOR
M3
~
~=
=
CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
REGULADOR DE VELOCIDAD CON P = CONSTANTE
O
M3 E
RECTIFICADOR INVERSOR
3FILTRO
REGULACIÓN DE LA TENSIÓN DEL RECTIFICADOR
O
O
84
Este tipo de accionamiento está más relacionado con la amplitud del pulso que con su frecuencia, en tanto que un accionamiento PWM y su alta frecuencia de switcheo puede afectar el ruido audible del motor.
El accionamiento tipo PAM puede tener también algunos efectos adversos sobre el motor, incluyendo mayor calentamiento por los picos en la forma de onda de voltaje, por lo que no son de uso muy común en la actualidad.
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Los últimos métodos de diseño tecnológico para inversores están basados en los llamados “transistores bipolares de compuerta aislada” (IGBT), este transistor es una combinación de las ventajas que da un transistor MOSFET y un transistor bipolar, tiene una buena conductancia de corriente con pérdidas bajas.
Tiene una alta frecuencia de switcheo y es fácil de controlar, esta tecnología ha ganado mucha popularidad, debido a que se puede aplicar en motores hasta de varios cientos de HP. Estos transistores tienen la capacidad de switchear a varios kilohertz, lo que virtualmente elimina el ruido audible en el motor, lo que era una objeción que se tenía originalmente para los IGBT.
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Otro tipo de inversor es el llamado “Inversor de fuente de corriente” (CSI), cuyo circuito equivalente se muestra en la siguiente figura, estos inversores usan normalmente SCR’s como switches para obtener una forma de salida de seis pasos, aquí el tiempo de conducción de cambia hacia arriba o abajo para cada paso individual, resultando un ciclo de tiempo más largo o más corto.
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De todos los accionamientos electrónicos de C.A., se cumple con la función de simplificar en esta forma: Se toma una alimentación trifásica de C.A. a la frecuencia del sistema de suministro, se convierte a C.D. y se invierte de regreso a una frecuencia variable de C.A.
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En las casas habitación, siempre está disponible la corriente alterna monofásica y esta es una de las razones por las que los aparatos del hogar usan siempre corriente alterna monofásica, antes que los controles electrónicos se hicieran populares.
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En los tornamesas que usaban C.A., se aplicaba una
velocidad constante y lo mismo ocurría con las cintas
magnéticas de las grabadoras, esto se lograba con un
motor de C.A. Síncrono; ya que se sabe que la velocidad
rotacional de un motor síncrono es proporcional a la
frecuencia de alimentación e inversamente proporcional al
número de polos, este concepto condujo a la conveniencia de
que con dos o tres grupos de devanados con distinto número
de polos instalados en el estator, se lograrán distintas
velocidades.
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RELACIÓN ENTRE EL NÚMERO DE POLOS, FRECUENCIAS Y VELOCIDADES EN MOTORES SÍNCRONOS DE C.A.
NÚMERO DE POLOS Velocidad a 60 Hz (rps)
Velocidad a 60 Hz (rps)
2 4 6 8
60 30 20 15
50 25
16.6 12.5
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La desventaja de cambiar velocidades modificando el número de polos es que las relaciones de velocidad están limitadas a relaciones enteras, por ejemplo, 1:2, 1:4 ó 2:3, debido a que el número de polos es siempre un número entero y definido como un número par.
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Si se pudiera variar la frecuencia en forma continua, se
tendría el accionamiento ideal de velocidad variable. Un
inversor produce frecuencia variable en C.A., como se ha
indicado antes; en forma literal un inversor es un
dispositivo que convierte C.D. a C.A. usando transistores o
componentes similares de estado sólido.
Sin embargo, en muchos inversores prácticos, la potencia de
C.D., se proporciona de una fuente trifásica comercial.
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En la siguiente figura, se muestra el diagrama de bloques
del inversor.
Como se ha mencionado, la etapa de convertir C.A. en C.D.,
se llama Rectificación y se hace con DIODOS, y al dispositivo
o puente, se le denomina rectificador, el inversor es la
etapa de convertir de regreso la C.D. en C.A. y tiene la
misma configuración de los transistores usados para
motores de C.D. sin escobillas; este tipo de inversor sólo es
aplicable en motores pequeños.
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Recientemente, los inversores han sido ampliamente
usados, desde bajas hasta muy altas potencias, una de las
áreas de mayor aplicación, se encuentra en el control de
flujo de aire en edificios y en los enfriadores para aire
acondicionado en casas habitación.
El problema de los inversores, es que no es tan simple
construir uno a nivel de escuela, simplemente ensamblando
componentes.
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CFESS TOPILEJO390 Mvar400 kV
CFESS TEXCOCO390 Mvar400 kV
CFESS CAMARGO250 Mvar230 kV
CFESS DURANGO200 Mvar230 kV
CFESS GÜEMEZ390 Mvar400 kV
CFEPUEBLA0 / + 200 Mvar400 kV
CFEACATLAN-200 / 0 Mvar400 kV
CFETEMASCAL- 300 / + 300 Mvar400 kV
CFEESCARCEGA- 50 / + 150 Mvar230 kV
CFEXUL-HA-20 / + 40 Mvar115 kV
TAMSAVERACTUZ0 / + 100 Mvar33 kV
CAVMPLANTA BOMBEO 3+20 / + 60 Mvar115 kV
CAVMPLANTA BOMBEO 4+40 / + 80 Mvar115 kV
CAVMPLANTA BOMBEO 3+40 / + 70 Mvar115 kV
CFESS NIZUC130 Mvar115 kV
ALGUNOS SITIOS EN LA REPÚBLICA MEXICANA CON INSTALACIÓN DE COMPENSADORES DE POTENCIA REACTIVA
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LÍNEAS DE TRANSMISIÓN EN ALTA TENSIÓN
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ASPECTO DE UNA INSTALACIÓN DE COMPENSACIÓN DE POTENCIA REACTIVA EN ALTA TENSIÓN
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La electrónica de potencia es una disciplina que inició con aplicaciones en los sistemas eléctricos en los 1970’s, en los primeros compensadores estáticos que se diseñaron para los sistemas de transmisión, paralelamente se inicióla aplicación de los dispositivos de estado sólido para el control de motores eléctricos, mismos que se han constituido como accionamientos (drives) en distintas aplicaciones que en el pasado se hacían con dispositivos de tipo electromagnético.
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Esto demuestra sólo algunas de las aplicaciones que ha tenido la electrónica de potencia en el campo de la industria eléctrica, pero aún más, el enorme potencial que tiene, particularmente cuando se combina con la electrónica digital. Razón por la que es un tema de actualidad que se debe considerar formalmente en los programas de investigación y currículas de estudio.
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