ÍNDICE

I. Interruptores Estáticos de Corriente Continua...................................................2

1. Introducción....................................................................................................2

2. Funcionamiento Básico..................................................................................2

3. Interruptor de conmutación forzada por condensador en paralelo.................3

4. Interruptor estático de bloqueo forzado por inductancia en serie con la

carga.....................................................................................................................4

II. Interruptores estáticos de corriente alterna.......................................................5

1. Introducción....................................................................................................5

2. Interruptores estáticos de corriente alterna....................................................5

3. Interruptor monofásico de bloqueo natural.....................................................6

Interruptor de c.a. con tiristores en antiparalelo.................................................6

Interruptor de c.a. con tiristores con cátodo común...........................................7

Interruptor de c.a. con un solo tiristor................................................................8

4. Interruptores Trifásicos de bloqueo natural....................................................8

5. Interruptores de bloqueo forzado...................................................................9

III. Bibliografía....................................................................................................10

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ELECTRÓNICA INDUSTRIAL I

CONMUTADORES ESTÁTICOS

I. Interruptores Estáticos de Corriente Continua

1. Introducción

Los reguladores estáticos de continua son sistemas que transforman la

corriente continua de tensión constante en corriente continua de tensión

variable y de la misma frecuencia. En el límite donde la potencia

entregada a la carga sea máxima o nula se obtienen los interruptores

estáticos de continua. Por otro lado, las aplicaciones de los convertidores

DC/DC recaen fundamentalmente sobre dos campos:

Fuentes de alimentación conmutadas. Son fuentes de alimentación

en las que el regulador en vez de ser lineal es conmutado,

consiguiéndose un importante aumento del rendimiento y una buena

respuesta dinámica.

Alimentación de motores de corriente continua, cuya regulación

requiere tensiones continúas variables. Las potencias utilizadas en

este caso son considerables.

2. Funcionamiento Básico

Para introducirnos en el funcionamiento de los convertidores DC/DC, se

considerará el circuito que se recoge en la siguiente figura, conformado

exclusivamente por un interruptor y una carga resistiva pura. El

interruptor se abre y se cierra siguiendo una señal de periodo “T”

denominada periodo de convertidor. El tiempo durante el cual el

interruptor está cerrado, y por tanto la carga se encuentra conectada a la

fuente primaria de energía, se denominará tiempo de conducción, “TON”.

Por otro lado el tiempo que el interruptor permanece abierto, dejando

aislada la carga, se llamará tiempo de bloqueo, “TOFF”. La suma de TON

y TOFF, como se puede apreciar en la figura, da el periodo de

convertidor (T). Cuando el interruptor S está cerrado, 0< t < TON, la

tensión de la fuente se refleja en la carga, provocando la circulación de

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corriente a través de ella. Si por el contrario S está abierto, TON < t < T,

el vínculo entre la fuente y carga se rompe, quedando esta última aislada

de la primera. Como la carga es resistiva pura, la corriente circulante por

la misma, en estas condiciones, se anula completamente.

Veamos a continuación los interruptores estáticos de C.C. con tiristores o

triacs. En ellos la intensidad ya no cambia de sentido forzada por la

fuente de alimentación, tal como ocurre en los interruptores de C.A., de

forma que para poder bloquearlos se necesitará un circuito de bloqueo

auxiliar.

3. Interruptor de conmutación forzada por condensador en paralelo

Su esquema se representa en la siguiente figura, donde el circuito de

potencia está constituido por la fuente V, el tiristor T1 y la carga Rload y

Lload. El resto del circuito, es decir T1’, C1 y R1 constituyen los elementos

encargados de bloquear al tiristor principal T1. Además se ha colocado el

diodo volante o de libre circulación D1 necesario cuando la carga tiene

componente inductiva, y así evitar las sobretensiones en el momento del

corte del tiristor principal. Analicemos el funcionamiento suponiendo carga

resistiva, para lo cual eliminamos el diodo volante D1. En el instante t=t0: se

dispara el tiristor principal T1, estableciéndose después del tiempo de

cebado una corriente, en la malla V-T1-Rload, igual a V/Rload, la tensión en

la carga será V y el condensador C1 se carga hasta V a través de R1 con

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una constante C⋅R1. Para cortar a T1 se cebará T1’ en el instante t1. Al

pasar a conducción T1’, el punto A que estaba a cero voltios, pasa a +V y

por tanto el cátodo de T1 pasa a +2V, debido al condensador, recibiendo

una polaridad negativa que lo obliga a cortarse. En el instante en que T1’

pasa a conducción, el condensador C1 recibe la corriente de la carga y al

cabo de un instante determinado por su constante de tiempo Crload, se

encontrará cargado con polaridad -+ a la tensión V, con lo que la tensión en

la carga pasa a ser nula.

4. Interruptor estático de bloqueo forzado por inductancia en serie con la

carga

Este interruptor se cierra disparando T1, de forma que cuando se alcanza el

régimen estacionario la corriente por L1 es constante y el condensador C1

se carga a la tensión V a través de R1.

Para la apertura del interruptor se cebará el tiristor T2, de forma que la

tensión del condensador C1 se aplique inversamente a T1, dejando de

conducir. El condensador C1 se descargará de forma resonante a través de

D2, L1 y T2. Cuando D2 deja de conducir, el condensador está cargado a -

V y el diodo volante D1 se polariza directamente, haciendo que la tensión

en la carga sea cero. La corriente de L1 sigue cargando más negativamente

a C1, hasta que esta intensidad se anule, bloqueándose T2. Finalmente la

energía almacenada en Lload se disipa en Rload a través de D1. De forma

que se eliminará el pico de tensión en la carga al bloquearse T1, tal como

ocurría en el circuito anterior. Veamos las ecuaciones que gobiernan cada

intervalo.

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Una vez establecido el régimen estacionario, la corriente por L1 es

constante y la carga ve la tensión V. Es en el instante t=t0 donde se dispara

el tiristor T2 y se bloquea T1, las condiciones iniciales de este intervalo son:

VC1 (0)=V e IT2 (0)=V/Rload.

II. Interruptores estáticos de corriente alterna

1. Introducción

Los reguladores estáticos de alterna son sistemas que transforman la

corriente alterna de tensión constante en corriente alterna de tensión

variable y de la misma frecuencia. En el límite donde la potencia

entregada a la carga sea máxima o nula se obtienen los interruptores

estáticos de alterna.

2. Interruptores estáticos de corriente alterna

Un interruptor estático consta de uno o más elementos semiconductores

que constituyen el “contacto”, y un circuito de mando que determina la

posición del contacto:

Abierto (los semiconductores ofrecerán una alta impedancia de

entrada al paso de corriente)

Cerrado (impedancia prácticamente nula). Las características

generales viene dadas por su elemento básico: el semiconductor de

potencia.

La principal diferencia entre los interruptores convencionales y los

estáticos radica en la forma de efectuar el corte y el restablecimiento del

circuito eléctrico. Las ventajas de la inserción de una impedancia alta y

no de un corte real del circuito eléctrico son:

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a) No hay arco eléctrico, lo cual implica no ruido eléctrico ni

desgaste.

b) Son muy rápidos (pocos microsegundos para el cierre y centenas

de microsegundos para la apertura), pudiéndose realizar la

conexión o desconexión del circuito en cualquier punto de la onda

de tensión o corriente.

c) Su vida media, a diferencia de los convencionales, no depende

del número de maniobras, logrando frecuencias de actuación muy

elevadas (1kHz).

d) Menor consumo propio para realizar sus accionamientos.

e) Permiten una conexión gradual haciendo un control de fase en los

primeros ciclos a fin de evitar las puntas de conexión cuando en

la carga hay elementos magnéticos. De igual forma la apertura

puede realizarse en un paso por cero de la intensidad para

suprimir sobretensiones causadas por los di/dt en las

inductancias.

3. Interruptor monofásico de bloqueo natural

Interruptor de c.a. con tiristores en antiparalelo

En la siguiente figura se muestra dicha configuración, donde T1 y T2 son

tiristores principales.

El bloqueo de los tiristores no ofrece ninguna dificultad pues se produce

de forma natural en el primer cruce por cero de la corriente una vez

eliminadas las señales de puerta. En el encendido los tiristores deben

ser cebados alternativamente y simétricamente respecto de la onda de

alimentación. Si la carga es resistiva pura (caso poco frecuente) la

corriente irá en fase con la tensión, anulándose ambas

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simultáneamente. Con carga inductiva, la corriente está retrasada

respecto de la tensión de modo que cuando la tensión anódica de T1

pasa por cero, la energía almacenada en la carga tiende a mantenerlo

en conducción, por lo que si cebamos entonces a T2 no se producirá su

encendido por estar sometido a una tensión inversa dada la conducción

de T1.

Mientras un tiristor, su caída de tensión polariza inversamente al otro

tiristor, el cual solamente puede cebarse cuando el otro deje de

conducir. Por tanto, en la puerta de cada tiristor debe haber impulso de

disparo en el instante en que el otro deja de conducir, para lo cual se

pueden recurrir a los siguientes métodos:

Mandar una señal continua a ambas puertas.

Enviar permanentemente un tren de impulsos de alta frecuencia,

para disminuir las pérdidas.

Mandar a la puerta de cada tiristor un impulso generado al iniciarse

su correspondiente semionda de tensión y de duración mayor que

ϕmáx/w, siendo ϕ el retraso entre I-V y w la frecuencia angular de la

fuente de alimentación alterna.

Interruptor de c.a. con tiristores con cátodo común

En la configuración del interruptor anterior, la señal de puerta de ambos

tiristores debe de estar aislada. Ahora podemos modificar dicha

estructura añadiendo dos diodos, de manera que ambos cátodos estén

al mismo potencial, lo cual hace que la señal de puerta sea común. La

semionda positiva de corriente es conducida por X1 y D1, siendo la

negativa por X2 y D21. El inconveniente reside en el aumento de la

caída de tensión en conducción debido a los dos semiconductores, y por

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tanto mayor potencia a disipar. La ventaja que presenta esta

configuración reside en la tensión inversa nula de los tiristores cuando

se bloquean, gracias a la conducción de su diodo en antiparalelo.

Interruptor de c.a. con un solo tiristor

Consta de un solo tiristor y cuatro diodos, de forma que la conducción se

realiza por D1, T y D4 o por D2, T y D3 según que el semiciclo de

alimentación sea positivo o negativo. En comparación con el montaje

anterior, este dispone de mayor caída de tensión y por tanto más

pérdidas, pero sin embargo el tiristor conduce continuamente y la

corriente eficaz es la misma que la de la carga.

Cuando el disparo debe de hacerse mediante una señal eléctricamente

aislada del circuito de potencia, la solución más empleada consiste en

aplicar al tiristor señales de alta frecuencia producidos por un oscilador

externo y acopladas mediante un transformador.

4. Interruptores Trifásicos de bloqueo natural

Si la alimentación es trifásica, siempre que el neutro sea accesible, se

pueden colocar un par de tiristores en antiparalelo por cada fase, donde

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se supone la carga equilibrada., tal como se muestra a continuación. Al

igual que en los monofásicos, el máximo tiempo de apertura viene dado

por el semiperíodo de la onda.

Otra configuración que se puede adoptar, consiste en disponer los

semiconductores en serie con cada fase, formando la carga en triángulo,

tal como se muestra en la siguiente figura. Dado que la corriente de fase

en un sistema trifásico es 1/√3 de la corriente de línea, ahora en este

montaje, las especificaciones de corriente de los tiristores serán

menores. Sin embargo en abierto la carga soporta la tensión de fase.

5. Interruptores de bloqueo forzado

En ciertas aplicaciones es necesario interrumpir la corriente en cualquier

instante, con lo que se recurre a un bloqueo forzado. Las

configuraciones vistas anteriormente son aplicables en el caso de

conmutación forzada si se les añade unos componentes adicionales.

Generalmente estos componentes suelen ser una bobina, un

condensador y un tiristor auxiliar por cada tiristor principal. Una de las

configuraciones más empleadas se representa en la siguiente figura,

para el caso de un interruptor de c.a. de onda completa monofásico. En

paralelo con cada tiristor principal se ha colocado un circuito resonante y

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un tiristor auxiliar cuyo disparo provoca el bloqueo de cada uno de los

tiristores principales.

a) Para la apertura del interruptor es necesario saber cuál de los dos

tiristores principales está conduciendo. Si conduce T1 hay que

disparar a T1’ y si es T2 quien conduce habrá que disparar a T2’.

b) Al mismo tiempo que se generan los impulsos del tiristor auxiliar

hay que inhibir los del principal. Sin suponemos que conducía T1, al

disparar a T1’se genera una onda resonante en el circuito C,L,T1’ y

T1.

c) El pico de esa onda ha de superar el valor de la intensidad a cortar.

La onda resonante crece de forma senoidal hasta que iguala a esa

intensidad, instante t1, donde se anula la intensidad de T1, y toda la

intensidad de carga la da la rama de bloqueo.

d) A partir de t1 y hasta t2 la corriente circula por T1’. La apertura se

produce cuando la intensidad se anula, instante t2. Veamos las

formas de onda más características.

Hay que destacar que los tiristores auxiliares actúan durante un tiempo

tan pequeño que no necesitan radiador. Además se diseñara el circuito

LC para que T_resonante << T_conmt_natural.

III. Bibliografía

Reguladores e interruptores estáticos de continua.pdf – “I.T.T.(S.E.) -

Universitat de València”.

Reguladores e interruptores estáticos de alterna.pdf – “I.T.T.(S.E.) -

Universitat de València”.

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