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En los sistemas eléctricos de potencia ha habido
una transformación importante en los últimos 25
años...
...debido a las aplicaciones cada vez más frecuentes de
la llamada electrónica de potencia,
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 energía
en 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:
7
FUNCIÓN
Control de
voltaje
CONTROLADORES FACTS
Y EQUIPO CONVENCIONAL
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
Control de flujo
de potencia
CONTROLADORES FACTS
Y EQUIPO CONVENCIONAL
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).
9
FUNCIÓN
Estabilidad
transitoria
Estabilidad
dinámica
CONTROLADORES FACTS
Y EQUIPO CONVENCIONAL
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.
Capacitor serie convencional.
Estabilizador de sistemas de
potencia.
TCSC, SVC, STATOM, UPFC.
10
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
IR
CORRIENTE EN EL REACTOR
IR
INSTALACIÓN DE UN REACTOR CONTROLADO POR TIRISTORES
14
IC
CORRIENTE EN EL CAPACITOR
IC
INSTALACIÓN DE UN CAPACITOR CONTROLADO POR TIRISTORES
15
COMPENSADOR ESTÁTICO DE VAR (SVC)
COMPENSACIÓN SERIE (SC)
APLICACIONES DE COMPENSACIÓN EN DERIVACIÓN SERIE
EN LOS SISTEMAS DE POTENCIA
16
A
B
PL
C
PL
CON SVC
SIN SVC
TIEMPO
OTRA APLICACIÓN DEL COMPENSADOR ESTÁTICO DE VAR (SVC)
SE ENCUENTRA EN EL AMORTIGUAMIENTO DE LAS OSCILACIONES DE POTENCIA
17
IN
CORRIENTE TOTAL I N
IC
IR
CORRIENTE EN EL I C
CAPACITOR
CORRIENTE EN EL
REACTOR
IR
EL REACTOR TOMA LA CORRIENTE DEL CAPACITOR Y DE CADA UNO DE ELLOS AL CONECTARSE
INSTALACIÓN DE UN TSC / TCR
18
L1 L2
L3
TC
2 + 2S
4 + 4P
DISPARO
ALARMA
Id2 2
Iub
Id1
INSTALACIÓN DE LOS CAPACITORES EN ALTA TENSIÓN
19
POTENCIA TRANSMITIDA
POR LÍNEAS EN FUNCIÓN
DE LA DISTANCIA Y VOLTAJE
DISTANCIA
Km
1000
600
CONDUCTOR CALIBRE 1113 KCM
400
400 kV
200
TENSIONES NOMINALES
DE DISEÑO
100
80
115 kV
60
230 kV
1 CIRCUITO SIN
COMPENSACIÓN
2 COND/FASE
40
1 COND/FASE
20
10
10
20
40
60
100
200
400
1000
POTENCIA (MW)
20
COMPENSACIÓN
EN DERIVACIÓN
5
Ps
Qs
Qc
Ps
Po
POTENCIA REAL Y REACTIVA EN P.U.
4
3
2
1
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
ÁNGULO DE POTENCIA EN GRADOS
Ps = POTENCIA ACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓ
Qs = POTENCIA REACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓ
Qc = POTENCIA DE COMPENSACIÓN (REACTIVA)
Po = POTENCIA INICIAL DE OPERACIÓN EN ESTADO ESTABLE
POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA EN UN SISTEMA CON COMPENSACIÓN EN DERIVACIÓN
21
11
COMPENSACIÓN
EN SERIE
10
Ps
9
POTENCIA REAL Y REACTIVA EN P.U.
Qc
8
Ps
Po
7
6
5
4
3
2
1
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
ÁNGULO DE POTENCIA EN GRADOS
Ps = POTENCIA ACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓ
Qs = POTENCIA REACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓ
Qc = POTENCIA DE COMPENSACIÓN (SERIE)
Po = POTENCIA INICIAL DE OPERACIÓN EN ESTADO ESTABLE
COMPENSACIÓN DE POTENCIA REACTIVA CON CAPACITORES SERIE CONECTADOS
EN EL EXTREMO DE SALIDA DE LA LÍNEA
22
POTENCIA REAL Y REACTIVA EN P.U.
SIN COMPENSACIÓN
3.0
Ps
2.5
Qs
Po
2.0
1.5
1.0
0.0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
ÁNGULO DE POTENCIA δ EN GRADOS
Ps = POTENCIA ACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓ
Qs = POTENCIA REACTIVA EN EL LADO DE ENVIÓ
Po = POTENCIA INICIAL DE OPERACIÓN EN ESTADO ESTABLE
VARIACIÓN DE LA POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA EN EL EXTREMO
DE ENVIÓ CON EL ÁNGULO DE POTENCIA
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.
25
Los accionamientos electrónicos para motores eléctricos
pueden 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:
26
¿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
accionamiento de
C.D. o de C.A es
mejor aplicar?
¿Qué tipo de aplicación
del motor C.D. o C.A. es
necesaria y qué
resultados se esperan?
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 hidráulicos
tienden 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.
34
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.
REGULADOR
DE VOLTAJE
REGULADOR
DE CORRIENTE
ARMADURA
DEVANADO
DE
CAMPO
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
MOTOR
EN C.D.
PAR DEL MOTOR
EN
C.D.
VOLTS EN LA ARMADURA
CURVA DE VOLTAJE EN LA ARMADURA
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:
43
Métodos para proporcionar
retroalimentación de velocidad
TIPO DE
RETROALIMENTACIÓN
Armadura (voltaje)
Tacómetro de C.D.
Tacómetro digital
REGULACIÓN DE VELOCIDAD
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, así
como 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:
A El eslabón de C.D. y
B El esquema de control.
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 Tr2
ON/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
RED 3 O
CONSIGNA DE
ARRANQUE
MODULADOR
DE
ENERGÍA
M
3O
COMANDO
SEGURIDAD
CARGA
LIMITACIÓN DE LA CORRIENTE
DE ARRANQUE
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 está
escalonada en segundos.
78
Debajo del valor de esta pendiente (ángulo β
regulable) 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
VRAMPA
V RAMPA MÁX
td
t
ÁNGULO α DE RETARDO
EN EL ARRANQUE
180°
0
t
V ESTATOR DEL MOTOR
Vn
t
80
RED 3 O
FILTROS
DE
TENSIÓN
TREN
DE
IMPULSOS
INTERFASE
DE
SALIDA
SALIDA
ENTRADA 1
ENTRADA 2
O LOGÍSTICA
EXCLUSIVA
GENERADOR
DE
RAMPA
+
_
CONECTOR
DE
CORRIENTE
COMPARADOR
MEDICIÓN
DE
CORRIENTE
M
3O
81
L (EVENTUAL)
Th 1
Th 2
(E,R)
M
O
Th’1
CARGA
(Tr)
Th’2
I
i
V INDUCIDO
CORRIENTE INTERRUMPIDA
E=K.
0
t
0
t
I INDUCIDO
V INDUCIDO
CORRIENTE NO INTERRUMPIDA
0
t
0
t
I INDUCIDO
82
Th 1
Th 2
O
M
D1
D2
CARGA
(Tr)
D.R.L.
i
ESQUEMA ESTRUCTURAL (TIRISTORES CON CÁTODOS COMUNES)
V INDUCIDO
0
T
2
I INDUCIDO
t
T
t3
0
t
ELEMENTOS
EN CONDUCCIÓN
th1
D.R.L.
th2
D2
D.R.L.
D1
D.R.L.
0
t
V INDUCIDO
I INDUCIDO
T
2
T
t
t
CURVA ASOCIADA
83
CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
~
=
M
3 O
FILTRO
=
~
REDUCTOR
ONDULADOR
REGULADOR DE VELOCIDAD CON P = CONSTANTE
RECTIFICADOR
INVERSOR
FILTRO
3O
E
M
3O
REGULACIÓN DE LA TENSIÓN DEL RECTIFICADOR
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.
85
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.
86
87
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.
88
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.
89
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.
90
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.
91
RELACIÓN ENTRE EL NÚMERO DE POLOS, FRECUENCIAS Y
VELOCIDADES EN MOTORES SÍNCRONOS DE C.A.
NÚMERO DE POLOS
2
4
6
8
Velocidad a 60 Velocidad a 60
Hz (rps)
Hz (rps)
60
50
30
25
20
16.6
15
12.5
92
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.
93
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.
94
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.
95
96
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.
97
CFE
SS CAMARGO
250 Mvar
230 kV
CFE
SS TOPILEJO
390 Mvar
400 kV
CFE
SS GÜEMEZ
390 Mvar
400 kV
CFE
PUEBLA
0 / + 200 Mvar
400 kV
CAVM
PLANTA BOMBEO 3
+20 / + 60 Mvar
115 kV
TAMSA
VERACTUZ
0 / + 100 Mvar
33 kV
CAVM
PLANTA BOMBEO 4
+40 / + 80 Mvar
115 kV
CFE
SS NIZUC
130 Mvar
115 kV
CAVM
PLANTA BOMBEO 3
+40 / + 70 Mvar
115 kV
CFE
SS TEXCOCO
390 Mvar
400 kV
CFE
SS DURANGO
200 Mvar
230 kV
CFE
XUL-HA
-20 / + 40 Mvar
115 kV
CFE
ACATLAN
-200 / 0 Mvar
400 kV
CFE
TEMASCAL
- 300 / + 300 Mvar
400 kV
CFE
ESCARCEGA
- 50 / + 150 Mvar
230 kV
ALGUNOS SITIOS EN LA REPÚBLICA MEXICANA CON
INSTALACIÓN DE COMPENSADORES DE POTENCIA REACTIVA
98
LÍNEAS DE TRANSMISIÓN EN ALTA TENSIÓN
99
ASPECTO DE UNA INSTALACIÓN DE COMPENSACIÓN
DE POTENCIA REACTIVA EN ALTA TENSIÓN
100
101
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 inició
la 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.
102
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.
103