- Funcionamiento en cuatro cuadrantes en convertidor doble
- Principio
- Práctico convertidor dual
- 1) Operación de convertidor dual sin corriente circulante
- 2) Operación de convertidor dual con corriente circulante
- 1) Convertidor dual monofásico
- 2) Convertidor dual trifásico
En el tutorial anterior hemos visto cómo se diseña un circuito de fuente de alimentación dual, ahora aprendemos sobre los convertidores duales, que pueden convertir CA a CC y CC a CA al mismo tiempo. Como su nombre indica, Dual Converter tiene dos convertidores, un convertidor funciona como rectificador (convierte CA en CC) y el otro convertidor funciona como inversor (convierte CC en CA). Ambos convertidores están conectados espalda con espalda con una carga común como se muestra en la imagen de arriba. Para obtener más información sobre el rectificador y el inversor, siga los enlaces.
¿Por qué usamos el convertidor dual? Si solo un convertidor puede suministrar la carga, ¿por qué usamos dos convertidores? Estas preguntas pueden surgir y obtendrá la respuesta en este artículo.
Aquí tenemos dos convertidores conectados espalda con espalda. Debido a este tipo de conexión, este dispositivo puede diseñarse para funcionar en cuatro cuadrantes. Significa que tanto el voltaje de carga como la corriente de carga se vuelven reversibles. ¿Cómo es posible el funcionamiento en cuatro cuadrantes en el convertidor dual? Eso lo veremos más adelante en este artículo.
Generalmente, los convertidores dobles se utilizan para los variadores de CC reversibles o los variadores de CC de velocidad variable. Se utiliza para aplicaciones de alta potencia.
Funcionamiento en cuatro cuadrantes en convertidor doble
Primer cuadrante: voltaje y corriente ambos positivos.
Segundo cuadrante: el voltaje es positivo y la corriente es negativa.
Tercer cuadrante: voltaje y corriente ambos negativos.
Cuarto cuadrante: el voltaje es negativo y la corriente es positiva.
De estos dos convertidores, el primer convertidor funciona en dos cuadrantes dependiendo del valor del ángulo de disparo α. Este convertidor funciona como rectificador cuando el valor de α es menor que 90˚. En esta operación, el convertidor produce un voltaje de carga y una corriente de carga promedio positivos, y opera en el primer cuadrante.
Cuando el valor de α es superior a 90˚, este convertidor funciona como inversor. En esta operación, el convertidor produce un voltaje de salida promedio negativo y la dirección de la corriente no cambia. Es por eso que la corriente de carga permanece positiva. En la operación del primer cuadrante, la energía se transfiere de la fuente a la carga y en la operación del cuarto cuadrante, la energía se transfiere de la carga a la fuente.
De manera similar, el segundo convertidor funciona como rectificador cuando el ángulo de disparo α es menor que 90˚ y funciona como inversor cuando el ángulo de disparo α es mayor que 90˚. Cuando este convertidor funciona como rectificador, el voltaje y la corriente de salida promedio son negativos. Entonces, opera en el tercer cuadrante y el flujo de energía es de carga a fuente. Aquí, el motor gira en sentido inverso. Cuando este convertidor funciona como inversor, el voltaje de salida promedio es positivo y la corriente es negativa. Entonces, opera en el segundo cuadrante y el flujo de energía es de carga a fuente.
Cuando el flujo de energía es de la carga a la fuente, el motor se comporta como un generador y esto hace posible la rotura regenerativa.
Principio
Para comprender el principio del convertidor dual, asumimos que ambos convertidores son ideales. Significa que producen voltaje de salida de CC pura, no hay ondulación en los terminales de salida. El diagrama equivalente simplificado del convertidor dual se muestra en la siguiente figura.
En el diagrama de circuito anterior, se asume que el convertidor es una fuente de voltaje CC controlable y está conectado en serie con el diodo. El ángulo de disparo de los convertidores está regulado por un circuito de control. Por lo tanto, los voltajes de CC de ambos convertidores son iguales en magnitud y opuestos en polaridad. Esto hace posible conducir corriente en dirección inversa a través de la carga.
El convertidor que funciona como rectificador se denomina convertidor de grupo positivo y el otro convertidor que funciona como inversor se denomina convertidor de grupo negativo.
La tensión de salida media es función del ángulo de disparo. Para el inversor monofásico y el inversor trifásico, el voltaje de salida promedio tiene la forma de las siguientes ecuaciones.
E DC1 = E max Cos⍺ 1 E DC2 = E max Cos⍺ 2
Donde α 1 y α 2 es el ángulo de disparo del convertidor-1 y convertidor-2 respectivamente.
Para, convertidor dual monofásico, E máx = 2E m / π
Para, convertidor dual trifásico, E máx = 3√3E m / π
Porque, convertidor ideal, E DC = E DC1 = -E DC2 E max Cos⍺ 1 = -E max Cos⍺ 2 Cos⍺ 1 = -Cos⍺ 2 Cos⍺ 1 = Cos (180⁰ - ⍺ 2) ⍺ 1 = 180⁰ - ⍺ 2 ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰
Como se discutió anteriormente, el voltaje de salida promedio es una función del ángulo de disparo. Significa que para el voltaje de salida deseado necesitamos controlar el ángulo de disparo. Un circuito de control del ángulo de encendido se puede utilizar de tal manera que, cuando la señal de control de E c cambios, disparando ángulo α 1 y α 2 cambiarán de tal manera que va a satisfacer debajo del gráfico.
Práctico convertidor dual
Prácticamente no podemos asumir ambos convertidores como un convertidor ideal. Si el ángulo de disparo de los convertidores se establece de tal manera que ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰. En esta condición, el voltaje de salida promedio de ambos convertidores es el mismo en magnitud pero opuesto en polaridad. Pero debido al voltaje de ondulación, no podemos obtener exactamente el mismo voltaje. Por lo tanto, hay diferencia de tensión instantánea en los terminales de CC de los dos convertidores que producen enormes c actual irculating entre los convertidores y que fluirá a través de la carga.
Por lo tanto, en el práctico convertidor dual, es necesario controlar la corriente circulante. Hay dos modos para controlar la corriente circulante.
1) Funcionamiento sin corriente circulante
2) Funcionamiento con corriente circulante
1) Operación de convertidor dual sin corriente circulante
En este tipo de convertidor dual, solo un convertidor está en conducción y otro convertidor está bloqueado temporalmente. Entonces, en un momento en que opera un convertidor y no se requiere el reactor entre los convertidores. En un instante particular, digamos que el convertidor 1 actúa como rectificador y suministra la corriente de carga. En este instante, el convertidor-2 se bloquea eliminando el ángulo de disparo. Para la operación de inversión, el convertidor 1 está bloqueado y el convertidor 2 suministra la corriente de carga.
Los pulsos al convertidor-2 se aplican después de un tiempo de retardo. El tiempo de retardo es de alrededor de 10 a 20 ms. ¿Por qué aplicamos el tiempo de retraso entre el cambio de operación? Garantiza un funcionamiento fiable de los tiristores. Si el convertidor 2 se dispara antes de que el convertidor 1 se haya apagado por completo, fluirá una gran cantidad de corriente circulante entre los convertidores.
Hay muchos esquemas de control para generar un ángulo de disparo para el funcionamiento sin corriente circulante del convertidor dual. Estos esquemas de control están diseñados para operar sistemas de control muy sofisticados. Aquí, a la vez, solo hay un convertidor en conducción. Por lo tanto, es posible utilizar solo una unidad de ángulo de disparo. A continuación se enumeran algunos esquemas básicos.
A) Selección del convertidor por polaridad de la señal de control
B) Selección de convertidor por polaridad de corriente de carga
C) Selección del convertidor por voltaje de control y corriente de carga
2) Operación de convertidor dual con corriente circulante
Sin convertidor de corriente circulante, requiere un sistema de control muy sofisticado y la corriente de carga no es continua. Para superar estas dificultades, existe un convertidor dual que puede funcionar con la corriente circulante. Un reactor limitador de corriente está conectado entre los terminales de CC de ambos convertidores. El ángulo de disparo de ambos convertidores se establece de tal manera que la cantidad mínima de corriente circulante fluya a través del reactor. Como se discutió en el inversor ideal, la corriente circulante es cero si ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰.
Digamos que el ángulo de disparo del convertidor-1 es 60˚, luego el ángulo de disparo del convertidor-2 debe mantenerse en 120˚. En esta operación, el convertidor 1 funcionará como rectificador y el convertidor 2 funcionará como inversor. Así, en este tipo de funcionamiento, a la vez ambos convertidores se encuentran en estado de conducción. Si se invierte la corriente de carga, el convertidor que funciona como rectificador ahora funciona como inversor, mientras que el convertidor que funciona como inversor funciona ahora como rectificador. En este esquema, ambos convertidores conducen al mismo tiempo. Por lo tanto, requiere dos unidades generadoras de ángulo de disparo.
La ventaja de este esquema es que podemos conseguir un buen funcionamiento del convertidor en el momento de la inversión. La respuesta temporal del esquema es muy rápida. El período de retardo normal es de 10 a 20 ms en el caso de que se elimine la operación libre de corriente circulante.
La desventaja de este esquema es que el tamaño y el costo del reactor son altos. Debido a la corriente circulante, el factor de potencia y la eficiencia son bajos. Para manejar la corriente circulante, se requieren tiristores con altas clasificaciones de corriente.
Según el tipo de carga, se utilizan convertidores duales monofásicos y trifásicos.
1) Convertidor dual monofásico
El diagrama de circuito del convertidor dual se muestra en la siguiente figura. Se utiliza como carga un motor de CC excitado por separado. Los terminales de CC de ambos convertidores están conectados con los terminales del devanado del inducido. Aquí, dos convertidores completos monofásicos están conectados espalda con espalda. Ambos convertidores suministran una carga común.
El ángulo de disparo del convertidor-1 es α 1 y α 1 es menor que 90˚. Por tanto, el convertidor 1 actúa como rectificador. Para un semiciclo positivo (0 <t <π), el tiristor S1 y S2 conducirán y para un semiciclo negativo (π <t <2π), el tiristor S3 y S4 conducirán. En esta operación, el voltaje y la corriente de salida son positivos. Entonces, esta operación se conoce como operación de motor hacia adelante y el convertidor funciona en el primer cuadrante.
El ángulo de disparo del convertidor-2 es 180 - α 1 = α 2 y α 2 es mayor que 90˚. Entonces, el convertidor-2 actúa como un inversor. En esta operación, la corriente de carga permanece en la misma dirección. La polaridad del voltaje de salida es negativa. Por tanto, el convertidor trabaja en el cuarto cuadrante. Esta operación se conoce como frenado regenerativo.
Para la rotación inversa del motor de CC, el convertidor 2 actúa como rectificador y el convertidor 1 actúa como inversor. El ángulo de disparo del convertidor-2 α 2 es menor que 90˚. La fuente de voltaje alternativa suministra la carga. En esta operación, la corriente de carga es negativa y la tensión media de salida también es negativa. Por tanto, el convertidor-2 trabaja en el tercer cuadrante. Esta operación se conoce como motorización inversa.
En operación inversa, el ángulo de disparo del convertidor-1 es menor de 90˚ y el ángulo de disparo del convertidor-2 es mayor de 90˚. Entonces, en esta operación, la corriente de carga es negativa pero el voltaje de salida promedio es positivo. Entonces, el convertidor-2 funciona en el segundo cuadrante. Esta operación se conoce como frenado regenerativo inverso.
La forma de onda del convertidor dual monofásico es como se muestra en la siguiente figura.
2) Convertidor dual trifásico
El diagrama de circuito del convertidor dual trifásico es como se muestra en la siguiente figura. Aquí, dos convertidores trifásicos están conectados espalda con espalda. El principio de funcionamiento es el mismo que el de un convertidor dual monofásico.
Así es como se diseñan los convertidores duales y, como ya se dijo, generalmente se utilizan para construir unidades de CC reversibles o unidades de CC de velocidad variable en aplicaciones de alta potencia.