TEMA 10 Y 11. REGULADORES DE C.A. (No hay ejercicios. Solo saber circuitos y características)

Formas de regular directamente la c.a: Regulación por impedancia interpuesta: Intercalar entre la fuente y la carga una impedancia variable, resistiva (reguladores de c.a. disipativos) o inductiva (por bobina saturable polarizada, o amplificadores magnéticos). Restan tensión a un valor máximo obtenido con la impedancia variable en su mínimo. Estabilización por ferrorresonancia: Uno de los procedimientos más seguros para ello es aprovechar la saturación del núcleo de un transformador de hierro. Se produce una resonancia entre la inductancia magnetizante y un condensador en paralelo con la carga que da origen al nombre. Regulación por troceo: Interruptor estático rápido de c.a. interpuesto entre la fuente y la carga se trocea la tensión de esta a un régimen subcíclico. Regulación por control integral del ciclo de trabajo: Cuando importa más el control lento de la energía de un proceso, como en la regulación de la temperatura de un horno eléctrico, y no se debe introducir distorsión armónica en el consumo, se procede a interrumpir el suministro por ciclos enteros de red. Regulación por control de fase: Cuando no importa la introducción de armónicos, con tiristores regulador sencillo con bloqueo natural en los pasos por cero de corriente en cada semiciclo. Regulación por cambio de tomas: Cuando hay un transformador, o es muy interesante añadir uno para obtener aislamiento galvánico Económico añadir al mismo tomas seleccionables mediante tiristores o transistores. Fiabllidad elevada por conmutar solo cuando es necesario el cambio de toma. Reg de c.a. disipativos Potencia de salida es muy baja: El margen de regulación de tensión no excede de un (+-)25% de la tensión o corriente media. Se colocan entre la fuente y la carga reguladores de transistores de potencia que trabajan en la zona activa, restando más o menos tensión a esta. Interés práctico: Si p.e. se maneja en los transistores un 30% de la U nominal de salida en un estabilizador con un (+-)15% de variación en la entrada. La Potencia disipada en el peor caso es solo un porcentaje de la nominal (el mismo 30% de la tensión a compensar). Además, emplear un único transistor (IGBT mejor porque se controla por tensión y mayor proporcionalidad entre I de potencia (iDS) y variable de control (uPS)) combinado con un puente de cuatro, permite el uso de un dispositivo activo unidireccional en un circuito bidireccional.

a) Estado de mínima tensión de entrada y carga nominal. El transistor está en saturación (Cortocircuitado) No disipa más potencia que la de la caída de tensión en los semiconductores.

b) Estado de máx tensión de entrada y carga nominal: El transistor entra en zona activa, uDS resta tensión a la carga y se ajusta a la nominal.

Pn P. nominal de salida del regulador NO SUPERAR potencia nominal de 200VA para que los semiconductores no disipen más de 50W

Regulador de c.a. por bobina saturable polarizada

Intercalando en serie impedancia inductiva (Para no disipar energía y de fácil control Inductancia saturable polarizada con una intensidad de corriente continua. Cuanto mayor sea esta intensidad, más se desplaza la curva B-H del núcleo de la bobina dentro de su zona de saturación, disminuyendo su impedancia y aumentando la tensión de la carga: ↑I en inductancia ↑ Saturación ↓ Impedancia ↑ Tensión en la carga

- Amplio margen de control - Onda de salida con una distorsión baja

La intensidad polarizante es controlada por los tiristores trabajando en control de fase y resulta alisada por la inductancia de las bobinas Lr y L2

Cálculo de autotransformador TF2

Estabilizador c.a. por ferrorresonancia del transformador (Estabilizador ferrorresonante) Su funcionamiento se basa en la saturación de un circuito magnético en el cual permanece prácticamente constante el flujo y, por consiguiente, la tensión en su devanado frente a variaciones de la carga y de la tensión de entrada al estabilizador

Para el valor nominal de la tensión de salida ambas corrientes son iguales y se anula la intensidad en L5 así como su caída de tensión, por lo que la tensión de salida es igual a la del generador (Figura 11-14) La caída UL siempre tiende a compensar las variaciones de la tensión del generador. La estabilización no es perfecta, Puede mejorarse mediante el transformador TF de la Figura 11-5-a, que resta a la tensión de salida una tensión UΔ proporcional a la de entrada. Hay que elegir bien la relación de transf. N2/N1

Figura 11-5-b): La bobina serie se consigue aumentando el flujo de dispersión entre primario y secundario con ayuda del shunt magnético. Limitación de la intensidad de salida en caso de cortocircuito a un valor en torno al 250V% de la nominal Ha caído en test de exámenes Ventaja: Aislamiento galvánico entre la entrada y la salida del estabilizador.

Circuito ferrorresonante compensado mediante devanado restador (Figura 11-5-a): Con un devanado corrector débilmente acoplado al secundario mediante otro shunt magnético, se reduce la deformación de la onda producida por la saturación del núcleo al 3%. El condensador suele diseñarse para que maneje aproximadamente una potencia reactiva triple de la potencia nominal del estabilizador Bajo ἠ pero elevada fiabilidad. Para trifásica: 3 estabilizadores monofásicos conectados en estrella. Reguladores de c.a. por troceo (Troceadores de c.a.) Para regular hornos eléctricos (troceo no nocivo) y, con f de troceo elevada, motores de c.a interruptor de entrada (o en serie INs) de la fuente a la carga, e interruptor de libre circulación (interruptor paralelo INp) que cierra la intensidad de carga sobre sí misma para evitar sobretensiones. (Figura 11-6)

El segundo interruptor permanece cerrado cuando el primero está abierto (y viceversa) asegurando tensión cero en la carga con independencia de su carácter resistivo o inductivo y de su estado de energización, lo que permite programar con seguridad la tensión en ella a

través del factor de trabajo ᵟ del regulador:

- INp puede eliminarse si la carga es puramente resistiva sin modificar la tensión de la carga respecto de la onda dada.

- Tener cuidado de minimizar pérdidas de conmutación para que al multiplicarlas por la ft=1/Tt no representen un porcentaje peligroso para los semiconductores o inadecuado para el rendimiento global.

- Si ft es elevada, disponer filtro LC Reduce armónicos producidos por el troceado y deja paso a la componente fundamental de la F de alimentación.

Se usan para mejora y gestión de red eléctrica aplicándolos a la realización de desplazadores de fase y estabilizadores de tensión.

Troceadores de c.a. matriciales: Para obtener ondas de c.a. de muy baja frecuencia a partir de tramos de tensión de 50 o 60Hz, para controlar la velocidad de motores eléctricos lentos. Troceador matricial de c.a., con fuente exafásica en estrella (e4 = -e1; e5 = -e2; e6 = -e3):

Cada barra de salida está siempre conectada a una de las barras de entrada La intensidad de la carga tiene camino de circulación (supuesta la conmutación ideal) y no se producen sobretensiones con cargas inductivas. Programando el cierre y la apertura de los interruptores de cada barra de salida con la restricción antedicha se construye su tensión uk con frecuencia de salida Fs normalmente más baja que la de la entrada Fe. Si ↑Fs ↑ Contenido de armónicos Se permite la regulación de las tensiones de salida si se añade entre cada barra de salida y el neutro un interruptor de libre circulación o interruptor paralelo, que cierre la intensidad de carga. Se reproduce así, para cada fase de salida, un circuito similar al de la Figura 11-6 aunque, en lugar de existir un intemrptor serie INs, hay tres interruptores conectados a las tres tensiones de entrada e1, e2 y e3. El interruptor paralelo añadido permite espaciar la conexión de su barra correspondiente a las tensiones de entrada si se cierra cuando ningún interruptor serie INs, está cerrado. Se elimina así la restricción dicha para la Figura 11-7 de que cada barra de salida debe estar siempre conectada a una de las de entrada. Este regulador de matriz puro permite la regulación de las tensiones de salida si se añade entre cada barra de salida y el neutro un interruptor de libre circulación (o interruptor paralelo INp), que cierre la intensidad de carga. Es el mismo circuito entonces que el de la figura 11-6, pero con tres fases, 3 interruptores serie INs conectados a las tres tensiones de entrada e1, e2 y e3. Con el interruptor paralelo añadido permite espaciar la conexión de su barra correspondiente a las tensiones de entrada si se cierra cuando ningún interruptor serie INs está cerrado. Se elimina así la restricción dicha para la Figura 11-7 de que cada barra de salida debe estar siempre conectada a una de las de entrada. Regulador de c.a. con dos barras por cada fase de salida:

En aplicaciones de gran potencia y para grandes motores de c.a. no suele-emplearse el neutro, aquí utilizado para facilitar el seguimiento de las tensiones. En tales casos puede realizarse un regulador matricial como el de la Figura ll-8, en el que cada fase de carga se alimenta de dos barras de salida.

Ventajas: Se puede regular cada tensión de cada salida u1, u2 y u3, controlando la fase relativa entre las barras correspondientes. También se puede reducir el contenido de armónicos alternando las secuencias cierre-apertura de cada pareja de barras de salida

Conmutación programada sin corte:

Programando por separado la desexcitación de cada interruptor interno (INi-1, e INi-2) constituyente del interruptor saliente e, igualmente, la excitación de cada intemrptor interno del interruptor entrante, se consigue que antes de abrir el camino de circulación de la corriente en el interruptor saliente se cierre otro alternativo (regla de cerrar antes de abrir) en el entrante. Con ello no se producen interrupciones en la intensidad de la carga ni huecos en su tensión.

Estabilizador de c.a. por troceo diferencial con conmutación seminatural:

Este regulador de c.a. adaptado a la función de estabilización de una tensión de entrada ue variable, por troceo entre la tensión sumadora y restadora del secundario de un transformador principal TP. La tensión utr. obtenida por el troceador se inyecta entre la tensión secundaria uAC, del transformador principal y la tensión de salida us, mediante un transformador compensador TC.

Estado extremo IN1 cerrado e IN2 abierto permanentemente (Factor de trabajo

): El transformador compensador suma tensión al principal.

Estado extremo IN1 abierto e IN2 cerrado permanentemente (Factor de trabajo

): El transformador compensador resta tensión al principal.

Estado IN1 abierto e IN2 cerrado la mitad de t cada uno (Factor de trabajo

): El transformador compensador no añade tensión fundamental, aunque sí

armónicos. Esta configuración es interesante a partir de 5KVA de potencia nominal porque reduce la potencia manejada por los semiconductores, pues el circuito regulador propiamente dicho (troceador y transformador compensador en este caso) solo se dedica a añadir o quitar a la tensión de entrada lo que falta o sobra, para asegurar los límites permitidos de la tensión de salida. Para menos potencia, el abaratamiento de los semiconductores no suele compensar el añadir el transformador compensador.

Troceado y conmutación: Con estados alejados a los 3 anteriores descritos, el troceador abre y cierra los interruptores conectando el terminal D del primario del transformador compensador alternativamente a los terminales A y C del secundario del principal.

Con un patrón simple de troceo, al variar el factor de trabajo (

) entre 1 y 0, la

tensión troceada utr que recibe TC en el primario, modifica el módulo Utr y el signo de su componente fundamental. La conmutación seminatural, tiene dos modalidades: una independiente del sentido de corriente y otra independiente del sentido de tensión, se torna problemática con valores bajos de su variable de referencia (uAC en la 1ª o iLf en la 2ª). Una modalidad de conmutación mejorada (conmutación mixta) consiste en regirse para cada conmutación por la variable más segura (la de mayor valor instantáneo relativo). Los condensadores Ce1 y Ce2., ayudan a reducir el efecto pernicioso de la inductancia dispersa que en la práctica existe entre los secundariosde TP. La conmutación seminatural mostrada no añade elementos extras para la conmutación y así evitar en los semiconductores la coincidencia de tensión y corriente elevadas salvo en tiempos muy cortos (de ahí el nombre de seminatural), lo que reduce pérdidas. Filtro de entrada y de salida Cuando la potencia Pn del estabilizador es relativamente importante comparada con la potencia de cortocircuito Pcc del nudo de red al que se conecta (en principio, para Pn >Pcc/100, y cuando los armónicos de intensidad aportados a la red sobrepasan los permitidos por la normativa), conviene disponer un filtro de entrada que reduzca las componentes de alta frecuencia de ie para que no se contamine la red con componentes de intensidad (y de tensión, debido a su impedancia no nula) en alta frecuencia. El filtrado es el siguiente:

Filtro de LC de entrada, constituido por la inductancia dispersa primario-secundario de TP, LTPsp, y los condensadores Ce1, y Ce2, del esquema, cuyo equivalente entre A y C llamaremos Ce. Cálculo de filtro (tipico) para que, debido a dicha inductancia, no se reduzca de forma apreciable la tensión fundamental de red y sí la de los armónicos de corriente solicitados:

na Orden del armónico considerado respecto de la frecuencia de troceo

Filtro de LC de salida, La distorsión ocasionada por el troceador de tensión no es muy acusada (tensión aportada por el trafo principal no queda apenas afectada. Si la carga no tolera distorsiones apreciables, se dispone un filtro de paso bajo (LfCf) antes de la salida, y se reduce los armónicos de tensión us y deja paso con poca atenuación a la principal. Cálculo de filtro (tipico):

ZCA Módulo de la impedancia de carga a la frecuencia considerada

TEMA 11.- REGULADORES DE C.A. DE TIRISTORES CON BLOQUEO NATURAL. CONTROL INTEGRAL Y CONTROL DE FASE

Gracias al paso por cero de la intensidad los tiristores no necesitan bloqueo forzado resultando circuitos simples y fiables Clasificación y ondas 1. Control de fase. El control se efectúa dentro de cada semiciclo dejando pasar una parte de este. 2. Control integral. El control se efectúa dejando pasar un número entero de semiciclos. Atendiendo a los límites máximos puede establecerse esta otra clasificación:

1. Reguladores totales: Permiten

la máxima variación, desde el valor de la tensión del generador hasta cero.

FIGURA 11-16-a)

2. Reguladores diferenciales: La tensión de salida tiene un margen más estrecho de variación y se necesita autotransformador. El valor instantáneo de la salida es bien el de la tensión máxima e1, o bien el de la tensión mínima e2.

FIGURA 11-16-b)

Regulador total con control de fase: Tras el comienzo de cada semiciclo se mantiene bloqueado el correspondiente tiristor, al que se envía un impulso de disparo con un retardo α/ω. El ángulo de control es α, variándolo se varía la potencia entregada a la carga. Los tiristores se bloquean de forma natural al anularse su intensidad. Ventaja:

- Su Simplicidad. Inconvenientes:

- Empeoramiento del factor de potencia con que trabaja el generador (α hace que se retrase la I con respecto a la tensión e);

- La intensidad de carga tiene armónicos de todos los órdenes; - Hay elevadas du/dt y di/dt que producen ruido electromagnético.

El regulador diferencial con control de fase: Ventajoso cuando los límites de regulación son más estrechos. Los inconvenientes anteriores se suavizan tanto más cuanto menor sea la diferencia e1-e2

El regulador total con control integral: Deja pasar a la carga un número entero de semiciclos permaneciendo bloqueado otro número entero de semiciclos. Las du/dt y di/dt son de bajo valor y el contenido de armónicos es mínimo. Hay presencia de subarmónicos (de frecuencia inferior a la del generador) Se emplea cuando lo importante es la potencia media entregada en intervalos largos.

El regulador diferencial con control integral: Circuito de mando más complicado que el de los reguladores totales porque hay que detectar los pasos por cero de la intensidad y, además, en el entorno de estos pasos los impulsos de disparo de todos los tiristores han de estar inhibidos para dar tiempo a la recuperación del tiristor que ha de bloquearse. Por tanto, son algo menos fiables.

Reguladores totales trifásicos con control de fase y carga resistiva Cuando el neutro de la carga está conectado al del generador el sistema se reduce a tres monofásicos independientes. Regulador c.a. trifásico mediante control de fase (Totalmente controlado) Con los totalmente controlados la onda de salida es alterna y la proporción de armónicos, menor.

Cuando ambos neutros no están unidos puede emplearse un regulador semicontrolado (En vez de un tiristor T´tiene un diodo D):

Con los reguladores semicontrolados se consigue un control completo, pero la forma de onda del semiciclo positivo es distinta de la del negativo.

REGULADORES DE C.A. POR CAMBIO DE TOMAS EN EL TRANSFORMADOR (ESTABILIZADORES POR CAMBIO DE TOMAS EN CARGA)

Se construyen con un transformador cuyo primario (o secundario) se conecta a través de tomas seleccionadas por interruptores estáticos (triacs o, para altas potencias, tiristores unidireccionales en antiparalelo). Estos reguladores se emplean casi exclusivamente para estabilizar tensión de la red eléctrica de baja tensión y, en muy grandes potencias, para compensar los desplazamientos de fase en líneas largas de alta tensión. Topologías directa y con transformador compensador en los estabilizadores de tomas Estabilizador directo (sin transformador compensador) apto para potencias de hasta unos 5 kVA. Las tomas pueden estar: En el primario, abaratando el transformador al asegurarle tensión constante, pero los interruptores quedan expuestos a los picos de tensión de red. En el secundario, se pierde la ventaja de tensión estable para el transformador, pero los interruptores pueden protegerse de los picos de tensión de red mediante la acción de la inductancia dispersa primario-secundario y condensadores entre fases y tierra(picos en modo común) y entre fase y neutro (picos en modo diferencial).

El número de cambios de estado de conexión necesarios como consecuencia de los cambios de tomas, supuesto que estos producen en la salida saltos de tensión de igual cuantía, viene dado por:

Estabilizador directo (con transformador compensador) para potencias superiores a 5 kVA, intercalando trafo compensador TC entre la red y el trafo de aislamiento, añade o resta tensión al primario de este para mantener la tensión de salida dentro de unos márgenes.

La intensidad que tienen que manejar los triacs se ve reducida en dicha relación respecto de la nominal de salida. Los estabilizadores de tomas explicados pueden realizarse con autotransformador en lugar de transformador de aislamiento para reducir el tamaño y el costo. En contrapartida se pierde el aislamiento galvánico entre la entrada y la salida. Conmutación en los estabilizadores de tomas: Solo ha salido lo siguiente. No está claro pero se puede deducir de punto 11.7.3 pág. 415 y 417. También del ej 11-2 en pág. 423 Carga no compartida: Nº triacs = Nº tomas + 1 Carga compartida: Nº triacs = Nº tomas + 2