Cicloconvertidores: tipos, funcionamiento y aplicaciones

Las fuentes de alimentación se pueden clasificar en dos categorías amplias, una es la fuente de alimentación de CA y la otra es la fuente de alimentación de CC. Como sabemos, solo se puede generar energía CA y, dado que es más económico, usamos CA para la transmisión y, por lo tanto, la mayoría de las máquinas / dispositivos eléctricos funcionan con energía CA. Pero el voltaje y la frecuencia estándar suministrados desde las estaciones generadoras pueden no ser lo suficientemente buenos para impulsar ciertas máquinas industriales. En esos casos, empleamos convertidores e inversores para convertir una forma de fuente de alimentación en otra forma, como en una clasificación de voltaje, corriente o frecuencia diferente. Un cicloconvector es uno de esos convertidores que convierte la energía CA en una frecuencia en energía CA de una frecuencia ajustable. En este artículo aprenderemos más sobre estos cicloconvertidores, su funcionamiento y aplicaciones.

¿Qué es el cicloconvertidor?

La definición estándar de cicloconvertidores de Wikipedia es la siguiente: “Un cicloconvertidor (CCV) o un cicloinversor convierte una forma de onda de CA de frecuencia constante y voltaje constante en otra forma de onda de CA de una frecuencia más baja sintetizando la forma de onda de salida de los segmentos de la fuente de CA sin un intermedio Enlace de CC "

Una propiedad particular de los cicloconvertidores es que no utiliza un enlace de CC en el proceso de conversión, por lo que es muy eficiente. La conversión se realiza utilizando interruptores electrónicos de potencia como los tiristores y cambiándolos de manera lógica. Normalmente, estos tiristores se separarán en dos mitades, la mitad positiva y la mitad negativa. Se hará que cada mitad se conduzca girándolas durante cada medio ciclo de la forma de CA, lo que permitirá el flujo de energía bidireccional. Por ahora, imagine los cicloconvertidores como una caja negra que toma como entrada un voltaje fijo de frecuencia fija de CA y proporciona una frecuencia variable, voltaje variable como salida, como se muestra en la siguiente ilustración.

Aprenderemos qué podría estar sucediendo dentro de esta caja negra a medida que avanzamos en el artículo.

¿Por qué necesitamos cicloconvertidores?

Bien, ahora sabemos que los cicloconvectores convierten la potencia CA de frecuencia fija en potencia CA de frecuencia variable. Pero, ¿por qué tenemos que hacer eso? ¿Cuál es la ventaja de tener una fuente de alimentación de CA con frecuencia variable?

La respuesta a esta pregunta es Control de velocidad. Los cicloconvertidores se utilizan ampliamente para impulsar motores grandes como el que se usa en laminados, molinos de bolas, cemento, etc. La frecuencia de salida de un cicloconvertidor se puede reducir hasta cero, lo que nos ayuda a arrancar motores muy grandes con carga completa a velocidad mínima aumente gradualmente la velocidad del motor aumentando la frecuencia de salida. Antes de la invención de los cicloconvertidores, estos grandes motores deben descargarse completamente y luego, después de arrancar el motor, debe cargarse gradualmente, lo que resulta en tiempo y consumo de energía humana.

Tipos de cicloconvectores:

Según la frecuencia de salida y el número de fase en la fuente de alimentación de CA de entrada, los cicloconvertidores se pueden clasificar de la siguiente manera

1. Cicloconvertidores elevadores

2. Cicloconvertidores reductores

1. Cicloconvertidor monofásico a monofásico
2. Cicloconvertidor trifásico a monofásico
3. Cicloconvertidor trifásico a trifásico

Cicloconvertidores Step-Up: Step-Up CCV, como su nombre sugiere, este tipo de CCV proporciona una frecuencia de salida mayor que la frecuencia de entrada. Pero no se usa mucho ya que no tiene mucha aplicación de partículas. La mayoría de las aplicaciones requerirán una frecuencia inferior a 50 Hz, que es la frecuencia predeterminada aquí en India. Además, la CCV Step-Up requerirá una conmutación forzada que aumenta la complejidad del circuito.

Cicloconvertidores reductores: CCV reductor, como ya lo habrá adivinado bien… solo proporciona una frecuencia de salida que es menor que la frecuencia de entrada. Estos son los más utilizados y funcionan con la ayuda de la conmutación natural, por lo que son comparativamente fáciles de construir y operar. El CCV reductor se clasifica además en tres tipos, como se muestra a continuación, analizaremos cada uno de estos tipos en detalle en este artículo.

Principio básico detrás de los cicloconvertidores:

Aunque hay tres tipos diferentes de cicloconvertidores, el funcionamiento de ellos es muy similar excepto por el número de interruptores electrónicos de potencia presentes en el circuito. Por ejemplo, una CCV monofásica a monofásica tendrá solo 6 interruptores electrónicos de potencia (SCR), mientras que una CCV trifásica puede tener hasta 32 interruptores.

El mínimo indispensable para un cicloconvertidor se muestra arriba. Tendrá un circuito de conmutación a cada lado de la carga, un circuito funcionará durante el semiciclo positivo de la fuente de alimentación de CA y el otro circuito funcionará durante el semiciclo negativo. Normalmente, el circuito de conmutación se demostrará utilizando SCR como dispositivo electrónico de potencia, pero en CCV moderno puede encontrar que los SCR se reemplazan por IGBT y, a veces, incluso MOSFETS.

Los circuitos de conmutación también necesitarán un circuito de control, que le indica al dispositivo electrónico de potencia cuándo conducir y cuándo apagar. Este circuito de control normalmente será un microcontrolador y también podría tener una retroalimentación de la salida para formar un sistema de circuito cerrado. El usuario puede controlar el valor de la frecuencia de salida ajustando los parámetros en el circuito de control. Se utilizan los diodos en el diagrama anterior para representar la dirección del flujo de corriente. El circuito de conmutación positivo siempre suministra corriente a la carga y el circuito de conmutación negativo siempre absorbe corriente de la carga.

Cicloconvertidores monofásicos a monofásicos:

La CCV monofásica a monofásica se usa muy raramente, pero para comprender el funcionamiento de una CCV, primero se debe estudiar para que podamos comprender la CCV trifásica. El CCV monofásico a monofásico tiene dos pares de circuitos rectificadores de onda completa, cada uno de los cuales consta de cuatro SCR. Un juego se coloca recto mientras que el otro se coloca en dirección antiparalela como se muestra en la imagen de abajo.

Todos los terminales de puerta de los SCR se conectarán a un circuito de control que no se muestra en el circuito anterior. Este circuito de control será responsable de activar los SCR. Para comprender el funcionamiento del circuito, supongamos que el suministro de CA de entrada tiene una frecuencia de 50 Hz y que la carga es una carga resistiva pura y el ángulo de disparo del SCR (α) es de 0 °. Dado que el ángulo de disparo es de 0 °, el SCR cuando se enciende actuará como un diodo en la dirección de avance y cuando se apaga actuará como un diodo en la dirección de retroceso. Analicemos la forma de onda a continuación para comprender cómo se reduce la frecuencia usando un CCV

La forma de onda de la frecuencia de la tensión de alimentación se indica con Vs y la forma de onda de la frecuencia de la tensión de salida se indica con Vo. Aquí estamos tratando de convertir la frecuencia de la tensión de alimentación a 1/4 ^º de su valor. Entonces, para hacer eso, para los primeros dos ciclos del voltaje de suministro usaremos el puente rectificador positivo y para los siguientes dos ciclos usaremos el puente rectificador negativo. Por lo tanto, tenemos cuatro pulsos positivos en la región positiva y luego cuatro en la región negativa, como se muestra en la forma de onda de frecuencia de salida Vo. La forma de onda de corriente para este circuito será la misma que la forma de onda de voltaje ya que se supone que la carga es puramente resistiva. Aunque la magnitud de la forma de onda cambiará según el valor de resistencia de la carga.

La frecuencia de salida se representa mediante la línea de puntos en la forma de onda Vo, ya que cambia la polaridad sólo para cada dos ciclos de la forma de onda de entrada de la frecuencia de salida con un cuarto ^ésimo de la frecuencia de entrada, en nuestro caso para una frecuencia de entrada de 50 Hz la La frecuencia de salida será (1/4 * 50) alrededor de 12,5 Hz. Esta frecuencia de salida se puede controlar variando el mecanismo de activación en el circuito de control.

Cicloconvertidores trifásicos a monofásicos:

El CCV trifásico a monofásico también es similar al CCV monofásico a monofásico, pero aquí el voltaje de entrada es un suministro trifásico y el voltaje de salida es un suministro monofásico con frecuencia variable. El circuito también se ve muy similar, excepto que necesitaremos 6 SCR en cada conjunto de rectificador ya que tenemos que rectificar el voltaje de CA trifásico.

Una vez más, los terminales de puerta del SCR se conectarán al circuito de control para activarlos y se vuelven a realizar las mismas suposiciones para comprender el funcionamiento fácilmente. También hay dos tipos de CCV trifásicos a monofásicos, el primer tipo tendrá un rectificador de media onda para puente positivo y negativo y el segundo tipo tendrá un rectificador de onda completa como se muestra arriba. El primer tipo no se usa con frecuencia debido a su escasa eficiencia. También en un tipo de onda completa, ambos puentes rectificadores pueden generar voltajes en ambas polaridades, pero el convertidor positivo puede suministrar corriente (fuente) solo en la dirección positiva y el convertidor negativo puede drenar la corriente solo en la dirección negativa. Esto permite que la CCV funcione en cuatro cuadrantes. Estos cuatro cuadrantes son (+ V, + i) y (-V, -i) en modo de rectificación y (+ V, -i) y (-V,-i) en modo de inversión.

Cicloconvertidores trifásicos a trifásicos:

Los CCV trifásicos a trifásicos son los más utilizados ya que pueden impulsar cargas trifásicas como motores directamente. La carga para un CCV trifásico será normalmente una carga conectada en estrella trifásica como el devanado del estator de un motor. Estos convertidores toman voltaje CA trifásico con frecuencia fija como entrada y proporcionan voltaje CA trifásico con frecuencia variable.

Hay dos tipos de CCV trifásicos, uno con convertidor de media onda y otro con convertidor de onda completa. El modelo de convertidor de media onda también se denomina cicloconvertidores de 18 tiristores o cicloconvertidores de 3 pulsos. El convertidor de onda completa se denomina cicloconvertidor de 6 pulsos o cicloconvertidor de 36 tiristores. En la siguiente imagen se muestra un cicloconvertidor de 3 pulsos

Aquí tenemos seis conjuntos de rectificadores de los cuales dos se asignan para cada fase. El funcionamiento de este CCV es similar al CCV monofásico excepto que aquí los rectificadores pueden rectificar solo la mitad de la onda y lo mismo ocurre con las tres fases

Aplicaciones:

Los cicloconvertidores tienen un amplio conjunto de aplicaciones industriales, los siguientes son algunos

• Molinos
• Lavadoras pesadas
• Mine Winders
• Líneas eléctricas HVDC
• Fuente de alimentación de aeronaves
• SVG (Generadores VAR estáticos)
• Sistema de propulsión para buque