Electronica de Potencia Rashid 3Ed cap 12

  • Published on
    26-Nov-2015

  • View
    126

  • Download
    7

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Electronica de Potencia Rashid 3Ed

Transcript

<ul><li><p>e A P TUL o 1 2Interruptores estticos</p><p>Los objetivos de aprendizaje para este captulo son los siguientes:</p><p> Comprender la operacin y las caractersticas de los interruptores estticos y los relevadores micro-electrnicos (MER, de microelectronic relay)</p><p> Aprender los diversos tipos de interruptores estticos y MER.</p><p>12.1 INTRODUCCiN</p><p>Los tiristores que pueden activarse y des activarse en menos de unos pocos microsegundospueden funcionar como interruptores de accin rpida para sustituir los interruptores automti-cos mecnicos y electromecnicos. Para aplicaciones de cd con baja potencia, los transistoresde potencia tambin se pueden usar como interruptores. Los interruptores estticos tienen muchasventajas, como velocidades muy altas de conmutacin, no tienen partes mviles y no hay reboteen el contacto al cerrar.</p><p>Adems de las aplicaciones como interruptores estticos, los circuitos de tiristores (o tran-sistores) se pueden disear para dar un retardo, retencin y detecciones de corrientes y voltajesaltos y bajos. Los transductores para detectar seal mecnica, elctrica, de posicin, de proximidad,etc., pueden generar las seales de disparo o de control para los tiristores (o los transistores).</p><p>Los interruptores estticos se pueden clasificar en dos: 1) interruptores de ea y 2) interrupto-res de cd. Los interruptores de ea se pueden subdividir en a) monofsicos y b) trifsicos. Para losinterruptores de ea, los tiristores tienen conmutacin de lnea o natural, y la velocidad de conmu-tacin est limitada por la frecuencia de la fuente de ea y el tiempo de desactivacin de los tiris-tores. Los interruptores de cd tienen conmutacin forzada, y la velocidad de conmutacindepende de los tiempos de activacin y des activacin de los dispositivos.</p><p>12.2 INTERRUPTORES DE CA MONOFSICOS</p><p>En la figura 12.1a se presenta el diagrama elctrico de un interruptor monofsico de onda com-pleta, en el que se conectan los dos tiristores en paralelo inverso. El tiristor T1se dispara cuandolt =\)'j e\ fulstor T2 se Ifu.~ara cuando eot = 'tt.E\ vo\ta)e de sa\ida es igual que e\ o\ta)e de entra-da. Los tiristores funclonan como interruptores, 'j estn conmutados por la lnea. Las formas deonda de los voltajes de entrada y de salida, y de la corriente de salida, se ven en la figura 12.1b.</p><p>551</p></li><li><p>(12.1)</p><p>552 Captulo 12 Interruptores estticos</p><p>i.</p><p>+ + io</p><p>Vs VORL</p><p>O wt</p><p>(a) Circuito</p><p>oF-----~r---------J~--wt</p><p>o I----I'-------\,------'---r- wt</p><p>glI</p><p>O I----LL-------f"------'- ....wtg2</p><p>I</p><p>O~------~------(e) Formas de onda para carga inductiva</p><p>FIGURA 12.1</p><p>Interruptor de ea monofsica con tiristor.</p><p>OF------\------t--- wt"!TI</p><p>IIII________ ...1 _</p><p>. Ilo I</p><p>III</p><p>-Vrn</p><p>VrnRL01'-------'1,,.------+-- wt</p><p>I Pulso de disparo de TIII</p><p>Con una carga inductiva, el tiristor TI debera disparar despus del medio ciclo positivodel voltaje de entrada, cuando la corriente pase por cero, y el tiristor T2 debera disparar despusdel medio ciclo negativo del voltaje de entrada, cuando la corriente pase por cero. Los pulsos dedisparo para TI y T2 se ven en la figura 12.1c. En lugar de dos tiristores, se puede usar un TRIAC,como se ve en la figura 12.2.</p><p>Si la corriente instantnea de lnea es is(t) = 1m sen wt, la corriente rms de lnea es</p><p>o I-L-----...l.-----.....LJ~ wtg2 Pulso de disparo de 1'2</p><p>I</p><p>o ~(b) Formas de onda para carga resistiva</p><p>[2 r ]112</p><p>L, = 2'TrJo l;"sen2wtd(wt)</p><p>Ya que cada tiristor conduce corriente slo durante medio ciclo, la corriente promedio en cadatiristor es</p><p>11"lA = - 1m sen wt d(wt)2'Tr O (12.2)</p></li><li><p>TR</p><p>+ +</p><p>v</p><p>12.2 Interruptores de ea monofsieos 553</p><p>FIGURA 12.2</p><p>Interruptor de ea monofsica con TRIAC.</p><p>y la corriente raz cuadrtica media (rms) de cada tiristor es</p><p>1R = [2~ 1'"I~ sen2 wt d( wt) r12 1; (12.3)El circuito de la figura 12.1a se puede modificar, como se ve en la figura 12.3a, donde los dostiristores tienen un ctodo comn, y las seales de disparo tienen una terminal comn. El tiristorTI y el diodo DI conducen durante el medio ciclo positivo, y el tiristor T2 y el diodo D2 conducendurante el medio ciclo negativo.</p><p>Un puente rectificador de diodos y un tiristor TI, tal como se ven en la figura 12.4a, puedenhacer la misma funcin que los de la figura 12.1a. La corriente por la carga es ea, y por el tiristorTI es cd. Un transistor puede sustituir al tiristor TI' A la unidad formada por el transistor (o el ti-ristor, o el tiristor apagado por compuerta [GTO]) y el puente rectificador se le llama interruptorbidireccional.</p><p>Puntos clave de la seccin 12.2 Los interruptores se activan cuando el voltaje de entrada cruza por cero. La operacin del circuito es parecida a la del controlador monofsico de voltaje de ea, con</p><p>un ngulo de retardo C( = O.</p><p>+</p><p>(a) Circuito</p><p>FIGURA 12.3</p><p>Interruptor de ea monofsica con puente de diodos y tiristores.</p><p>1</p><p>o f------\-----~r_~ wt'TTI</p><p>1111111 1</p><p>Pulso de disparo d~ TI1,1</p><p>1-1------;-1 J....L~wt1</p><p>Pulso de disparo de 1'2</p><p>o '-- --U'-- ~ wt(b) Formas de onda</p></li><li><p>554 Captulo 12 Interruptores estticos</p><p>7T1</p><p>IIII-v ---------+---m I</p><p>g1 Pulsos de disparo de TI</p><p>O~--------4r--------~~wt+ +</p><p>I</p><p>o u...... ....... --'--L+- wt(a) Circuito (b) Formas de onda</p><p>FIGURA 12.4</p><p>Interruptor de ea monofsica con puente rectificador y tiristor.</p><p>12.3 INTERRUPTORES DE CA TRIFSICOS</p><p>El concepto de conmutacin de ea monofsica se puede ampliar a las aplicaciones trifsicas. Sepueden conectar tres interruptores monofsicos como el de la figura 12.1a para formar un in-terruptor trifsico, como se ve en la figura 12.5a. Las seales de disparo para los tiristores y lacorriente por TI se muestran en la figura 12.5b. La carga se puede conectar en Y o en delta.</p><p>Para reducir la cantidad y los costos de los tiristores, tambin se pueden usar un diodo y untiristor para formar un interruptor trifsico, como se ve en la figura 12.6. En el caso en que se co-necten dos tiristores "espalda con espalda" existe la posibilidad de detener el flujo de corrientecada medio ciclo (por ejemplo 8.33 ms para un suministro de 60 Hz). Sin embargo, con un diodoy un tiristor, el paso de la corriente slo se puede detener cada ciclo del voltaje de entrada, y sevuelve lento el tiempo de reaccin (por ejemplo, 16.67 ms para una fuente de 60 Hz).</p><p>Punto clave de la seccin 12.3</p><p> La operacin del circuito se parece a la del controlador trifsico de voltaje de ea con unngulo de retardo a = O.</p><p>12.4 INTERRUPTORES TRIFSICOS REVERSIBLES</p><p>Se puede tener la inversin de la potencia trifsica suministrada a una carga agregando dos inte-rruptores monofsicos ms al interruptor trifsico de la figura 12.5a. Esto se ve en la figura12.7. En la operacin normal, los tiristores T7 a TlO se desactivan con inhibicin (o supresin) depulsos de compuerta y se activan los tiristores TI a T6. La lnea A alimenta a la terminal a, la l-nea B a la terminal b y la lnea e a la terminal c. En la operacin de inversin de fase, los tiristo-res T2, T3, T5 Y T6 se desactivan por inhibicin de pulso de compuerta y los tiristores T7 a TlO sonoperativos. La lnea B alimenta a la terminal c y la lnea e alimenta a la terminal B, siendo estouna inversin de fase del voltaje aplicado a la carga. Para obtener la inversin de fase, todos los</p></li><li><p>12.4 Interruptores trifsicos reversibles 555</p><p>A r---------------~a</p><p>B</p><p>C b</p><p>(a) Circuito</p><p>wtg2</p><p>O wtg3</p><p>O wt~</p><p>O wt</p><p>gs</p><p>O wt</p><p>&amp;;</p><p>O wti</p><p>L-------~~------~--------~--------~wt2'1T</p><p>(b) Formas de onda'1T</p><p>e</p><p>FIGURA 12.5</p><p>Interruptor de ea trifsica con tiristor.</p></li><li><p>556 Captulo 12 Interruptores estticos</p><p>DI</p><p>Aa</p><p>D2</p><p>B</p><p>FIGURA 12.6 D3e</p><p>Interruptor de ea trifsica con diodo y tiristor. e b</p><p>A</p><p>B</p><p>e</p><p>a</p><p>b</p><p>e</p><p>FIGURA 12.7</p><p>Interruptor reversible de eatrifsica con tiristor.</p><p>dispositivos deben ser tiristores. No se puede usar una combinacin de tiristores y diodos, comola de la figura 12.6 porque sucedera un cortocircuito de fase a fase.</p><p>Punto clave de la seccin 12.4 Se pueden conectar y disparar cinco pares de tiristores para producir una inversin de</p><p>fase en una carga trifsica.</p><p>12.5 INTERRUPTORES DE CA PARA TRANSFERENCIA DE CANAL</p><p>Se pueden usar los interruptores estticos para transferir canales de distribucin de una fuente aotra. En un sistema prctico de suministro, a veces se requiere cambiar la carga de la fuente normal</p></li><li><p>12.6 Interruptores de cd 557</p><p>+ + +</p><p>T~VI</p><p>FIGURA 12.8</p><p>Interruptor monofsico para transferencia de canal.</p><p>b</p><p>a</p><p>FIGURA 12.9</p><p>Interruptor trifsico para transferencia de canal.</p><p>a una fuente alternativa, en caso de 1) no disponibilidad de la fuente normal, 2) condiciones debajo voltaje o alto voltaje en la fuente normal. La figura 12.8 muestra un interruptor monofsicode transferencia de canal. Cuando funcionan los tiristores TI y T2, la carga se conecta con lafuente normal, y para transferir a una fuente alternativa, los tiristores T y T son operativos,mientras que TI y T2 se des activan por inhibicin de seal a compuerta. En la figura 12.9 semuestra la ampliacin de la transferencia de canal monofsica a transferencia de canal trifsica.</p><p>Punto clave de la seccin 12.5</p><p> Dos o ms pares de tiristores se pueden conectar espalda con espalda para transferir cana-les de una fuente a otra. Este tipo de transferencias se usa en caso de pasar la carga a una ovarias fuentes alternativas de suministro.</p><p>12.6 INTERRUPTORES DE CD</p><p>En el caso de los interruptores de cd, el voltaje de entrada es de cd, y se pueden usar transistoresde potencia, tiristores de conmutacin rpida o GTo. En la figura 12.10 se ve un interruptor tran-sistorizado de un polo, con una carga resistiva, y en caso de una carga inductiva, se debe conectar</p></li><li><p>558 Captulo 12 Interruptores estticos</p><p>FIGURA 12.10</p><p>Interruptor de un polo para cd con transistor.</p><p>@ Alternador Motor de arranque</p><p>FIGURA 12.11</p><p>++</p><p>Fuentede cd Vs</p><p>~</p><p>gVoltaje deexcitacin</p><p>O t de base</p><p>~f----T : : A las cargas de 42 volts</p><p>--L..r- 1----T Cajas de distribucin</p><p>L- __ ----' con interruptoresy fusibles</p><p>~-~CD=O ~r---CD 14V f---.-------i T : A cargas de 14V42V + --L..r- 1-----Convertidor -=- 14V T</p><p>cd/cd 1-</p><p>Sistemas de energa en automviles con 42 V [Ref. 6].</p><p>un diodo (indicado por la lnea interrumpida) en paralelo con la carga, para proteger al transistordel voltaje transitorio durante la desactivacin. Tambin, los interruptores de un polo se puedenaplicar para transferir canales de una fuente a otra.</p><p>La demanda de potencia de los vehculos automotores est en constante aumento [3]. Lasrazones de ello se debe a la inclusin de funciones nuevas, como calentamiento de parabrisas yprecalentamiento de los convertidores catalticos, y tambin hay razones financieras como lareduccin del consumo de gasolina y la reduccin de emisiones. La electrnica de potencia en-cuentra aplicaciones potenciales para la conversin de potencia, as como para los interruptoresestticos, en la industria automotriz. La figura 12.11 muestra el diagrama de bloques de un siste-ma elctrico de 42 V con salidas de 42 Vy de 14V. El convertidor cd-cd baja el voltaje de 42 a 14V,Y los interruptores de transistor de efecto de campo de metal xido serniconductor (MOSFET)conectan las cargas a las fuentes de 42 o de 14 V. Debido a sus ventajas inherentes como disposi-tivo controlado por voltaje y su mnima corriente de compuerta, los MOSFET de potencia seusan cada vez ms en aplicaciones como interruptores estticos. La figura 12.12 muestra un inte-rruptor MOSFET de canal N. La introduccin de los sistemas elctricos adicionales de 42 V enla industria automotriz abre oportunidades al uso de semiconductores de potencia. Los sistemaselectromecnicos estn sustituyendo a los mecnicos, por ejemplo, en las bombas mecnicas deagua y en las direcciones hidrulicas.</p><p>Interruptores inteligentes de potencia. A medida que la microelectrnica tiene cada vezms aplicaciones, en especial en las tecnologas de auto matizacin y automotriz, se pide mayor</p></li><li><p>12.6 Interruptores de cd 559</p><p>+ VDD</p><p>Carga</p><p>+V Seal lgica</p><p>Comp.</p><p>ENT</p><p>FIGURA 12.12</p><p>R en serie(si es necesaria)</p><p>Interruptor de potencia MOSFET de canal N.</p><p>rendimiento a los interruptores de potencia. En muchos casos esos requisitos ya no pueden satis-facerse con soluciones electromecnicas convencionales. Los ejemplos son un circuito integradode activacin inteligente para transistores de potencia as como una variedad de interruptoresinteligentes de potencia. La regla es que se requieren interruptores en el lado de alta potenciapara cargas conectadas a tierra. La figura 12.13 muestra el diagrama de bloques de un interrup-tor inteligente de potencia, que incluye todas las funciones internas [4].</p><p>Interruptores de tiristor. Los interruptores de tiristor son ms adecuados para aplica-ciones con alto voltaje y alta corriente, que salen del campo de las capacidades de transistores. Unavez activado un tiristor, debe desactivarse por conmutacin forzada. Sin embargo, los GTO se pue-den desactivar por control de compuerta.</p><p>Si se usan tiristores con conmutacin forzada, el circuito de conmutacin es parte integraldel interruptor, y en la figura 12.14' se muestra un interruptor de cd para aplicaciones de altapotencia. Si se dispara el tiristor T3,se carga el capacitor e a travs de la fuente Vs, L y T3'Lacorriente de carga i y el voltaje del capacitor ve se pueden expresar como sigue:</p><p>i(t) = Vs.jf sen wt (12.4)y</p><p>Ve(t) = Yr(l - cos wt) (12.5)</p><p>donde co = l/VLC. Pasado el tiempo t = to = 'ITVLC,la corriente de carga se vuelve cero y elcapacitor queda cargado a 2Vs' Si el tiristor TI conduce y suministra potencia a la carga, el tiris-tor T2 dispara para desactivar a TI' El tiristor T3 es autoconmutado. Al disparar T2, el capacitare produce un pulso resonante que pasa por el capacitar e,el inductor L y el tiristor T2. Al aumen-tar la corriente de resonancia, se reduce la corriente por el tiristor TI' Cuando la corriente de re-sonancia aumenta hasta llegar a la corriente de carga h, la corriente del tiristor TI baja a cero yel tiristar TI se desactiva. El capacitor descarga su carga residual a travs de la resistencia de car-ga, RL. El tiristor T2 es autoconmutado. Cuando la carga es inductiva, es necesario un diodo decorrida libre, Dm, conectado en paralelo con la carga. El capacitor se debe descargar por completoen cada accin de conmutacin, y se puede evitar que haya un voltaje negativo en el capacitor</p></li><li><p>15,</p><p>1,</p><p>4 ST 1, Deteccin'1 oo~~~ 1</p><p>~------- __ -- __ ~N:N;dese~-I----------:::::::g~</p><p>560 Captulo 12 Interruptores estticos</p><p>ESD LgicaCarga</p><p>(a) ) Bloques funcionales</p><p>1- - - - - - -- - - - - - - -- - - - - - - - - -IVBB</p><p>1111111,* 1.-----4.....,......,</p><p>ENT.</p><p>v,"'ll~~~GND</p><p>Carga</p><p>(b) Controlador de voltaje</p><p>FIGURA 12.13</p><p>- - -- - - - - - - -- -- - - - -- - - -- - -IVBB</p><p>1GND</p><p>Carga</p><p>(e) Controlador de corriente</p><p>Diagrama de bloques de un interruptor para un canal [Ref. 4). (Cortesa de Siemens Semiconductor Group, Alemania).</p><p>conectando un resistor y un diodo, como muestra la figura 12.14 en lnea interrumpida. No es muyfcil des activar circuitos de cd, y los interruptores estticos de cd requieren circuitos adicionalespara des activarse.</p><p>Se pueden aplicar interruptores de cd para controlar el flujo de potencia en aplicacionescon muy alto voltaje y alta corriente (por ejemplo, reactores de fusin) [1] y tambin se puedenusar como disyuntores de accin rpida [2]. En lugar de transistores, se pueden usar GTo. UnGTO se ac...</p></li></ul>