Etapa de Potencia en variadores de velocidad DC con Tiristores

25 Enero 2010

Usualmente, una unidad de potencia de estado sólido convierte la energía AC de la planta a un voltaje DC ajustable. Este voltaje alimenta a la armadura del motor. La velocidad del motor DC varía proporcionalmente al voltaje de armadura asumiendo:

 

• El motor es suficientemente grande para alimentar a la carga conectada.

• La corriente de campo del motor es constante.

 

Los motores DC tienen dos componentes principales: armadura y campo. La interacción de los campos magnéticos de ambos componentes provocan la rotación del rotor.

 

La etapa puede ser implementado mediante el uso de:

 

- Tiristores

- Transistores.

 

VARIADOR A TIRISTORES

 

Los Rectificadores Controlados de Silicio (SCR) normalmente llamados “tiristores”, usados en la unidad de potencia convierten voltaje AC a un voltaje DC controlado. El SCR conduce corriente cuando un pequeño impulso de voltaje es aplicado a su terminal “gate”, ver figura 2

 

Figura 2

 

 

La mayoría de variadores a tiristor diseñados para operar con alimentación AC monofásica, tienen 4 tiristores. Las unidades que operan con alimentación trifásica son frecuentemente construidos con seis tiristores, ver figura 3.

 

Una variante de dicho diseño incluye el reemplazo de la fila inferior de tiristores por diodos rectificadores y adicionando un diodo de conmutación a través de la salida de armadura DC.

 


Figura 3

 

La fuente del campo mostrada en la figura 3 se encuentra implementada por un puente de diodos, por lo tanto el campo recibe un voltaje DC fijo de valor igual a su nominal. La armadura recibe voltaje DC variable, con la finalidad de que el motor trabaje en la región de torque constante tal como se vio en la figura 16 de la primera parte.

 

Para desconectar físicamente al motor de la unidad de potencia de estado sólido, se utiliza un contactor (M), ver figura 4. Al energizar la bobina de control del contactor M, el puente rectificador a tiristores alimenta a la armadura haciendo que dicha máquina trabaje como motor impulsando a la carga acoplada a su eje.

 

Cuando se desea tener control de frenado de dicho motor, se puede frenar rápidamente por medio de una resistencia de frenado dinámico (Dynamic Brake: DB) a través de la armadura del motor, ver figura. 4. La bobina de control del contactor M debe ser desenergizada para permitir que la resistencia DB actúe como una carga de la armadura, la cual por acción de la inercia de su carga, se ha convertido en generador. Dicho frenado dinámico sólo es efectivo mientras la armadura se encuentre en movimiento.

 

Adicionando otro grupo de tiristores (denominados sección reversa) conectados con polaridad invertida, ver figura 5, el variador obtiene capacidades regenerativas y puede operar en los cuatro cuadrantes, ver figura 6.

 

Dicha configuración ofrece operación bidireccional sin el uso de contactores de inversión y frenado regenerativo controlado.

 


Figura 5

 


Figura 6

 

El frenado regenerativo se entiende como el retorno de energía desde el motor (durante el instante de frenado se comporta como generador) hacia la fuente de alimentación AC. Dicha energía debe ser de algún modo absorbida por la fuente. La figura 6 nos muestra que durante el frenado, la polaridad de la armadura no cambia pero si el sentido de la corriente. Esto quiere decir que para el frenado regenerativo el voltaje de alimentación a la armadura se debe hacer menor que la tensión contra-electromotriz. Ver ecuación (1-1) de la primera parte.

 

Los variadores a tiristores son los normalmente utilizados en la industria pues pueden controlar motores DC de fracciones de potencia hasta decenas de MW.

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 8 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo a mi email.

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