Tema 5 Convertidores ME
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CONVERTIDORES PARA MÁQUINAS ELÉCTRICAS
• Introducción• Convertidores máquinas DC
– Rectificadores controlados– Convertidores DC/DC
• Convertidores máquinas AC– Clasificación– Inversores de tensión e intensidad– Motores de rotor devanado– Máquinas síncronas– Cicloconvertidores
• Aplicaciones y métodos de control• Arrancadores estáticos
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
Control de Máquinas Eléctricas 1
• Accionamiento eléctrico
• Secuencia:– Carga arrastrada
– Red de alimentación
– Motor
– Convertidor
– Sistema de control
• Objetivos:– Proceso
– Respuesta dinámica
– Calidad, confort
– Ahorro energético
INTRODUCCIÓN
Figura 1: Estructura de un accionamiento
Control de Máquinas Eléctricas 2
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
CONVERTIDORES MÁQUINAS DE CONTINUA (I)
• Convertidores directos– AC-DC: Rectificadores controlados de tiristores (SCRs)
– Ángulo de encendido
Figura 2: Convertidor AC-DC con tiristores
Control de Máquinas Eléctricas 3
im
icci
VVv α
πα cos
2cos0 ==
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
• Rectificador trifásico de onda completa– Ángulo de encendido
– Funcionamiento como inversor
Figura 4: Motor de continua con rectificadores trifásicos
Control de Máquinas Eléctricas 4
Figura 3: Rectificador trifásico de onda completa
im
icci
VVv α
πα cos
33cos0 ==
Figura 5: Funcionamiento en dos cuadrantes
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
CONVERTIDORES MÁQUINAS DE CONTINUA (II)
• Convertidores DC-DC– Convertidores DC-DC autoconmutados:
IGBT, MOSFET
– Ciclo de trabajo
– Rizado de la intensidad– Funcionamiento en 2 y 4 cuadrantes
Figura 7: Convertidor DC-DC de 4 cuadrantes
Figura 8: Control PWM con fuente de tensión
Control de Máquinas Eléctricas 5
Figura 6: Convertidor DC-DC de 2 cuadrantes
SSON
cc VkVT
tV ==
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
CONVERTIDORES MÁQUINAS DE CONTINUA (III)
• Control con realimentación de velocidad– Objetivo
– Realimentación
– Controlador
• Proporcional
• P + I
– Circuito de disparo
• Rectificador (α)
• Chopper (k)
Figura 9: Regulación de velocidad
Control de Máquinas Eléctricas 6
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
CONVERTIDORES MÁQUINAS DE CONTINUA (IV)
• Convertidores electrónicos– Objetivos
– Realimentación
– Control de velocidad
• Referencia ω
– Control de corriente
• Referencia Ii
• Rizado
– Regulación de campo
• Saturación a baja ω
Figura 10: Realimentación de velocidad y corriente
Control de Máquinas Eléctricas 7
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
CONVERTIDORES MÁQUINAS DE CONTINUA (V)
• Clasificación Funcional
– AC/DC : Rectificadores
– DC/DC: Reguladores, chopper
– DC/AC: Inversores, onduladores
– AC/AC: Cicloconvertidor, regulador de alterna
• Aplicaciones– Variador de frecuencia
– Convertidores de rotor
– Cicloconvertidores
CONVERTIDORES PARA MÁQUINAS DE ALTERNA
Figura 11: Convertidor de frecuencia
Control de Máquinas Eléctricas 8
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
CONVERTIDORES DE FRECUENCIA
Figura 12: Cuadro comparativo de convertidores de frecuencia para máquinas de alterna
Control de Máquinas Eléctricas 9
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
• Inversor trifásico de onda completa
– Salida por bloques
– Secuencia de disparos
– Regulación de frecuencia
– Tensión de salida de línea
Control de Máquinas Eléctricas 10
Figura 14: Tensión de salidaFigura 13: Inversor trifásico de tensión
++−−=
=−= ∑=
...11 sen11
17 sen
7
15 sen
5
1 sen
32
sen6
cos14
...5,3,1
ttttV
v
tnn
n
Vvvv
SRS
n
SSNRNRS
ωωωωπ
ωππ
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
INVERSOR DE TENSIÓN. SALIDA POR BLOQUES (I)
• Variación VDC
– VDC = VDC0 cos α
– Ancho pulso salida ( 120º )
• Variación ancho pulso– Simétrico
– Reactiva, armónicos
INVERSOR DE TENSIÓN. SALIDA POR BLOQUES (II)
Figura 15: Salida por bloques
Control de Máquinas Eléctricas 11
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
• Topología
• Regulación de frecuencia– Conmutaciones
• Regulación de amplitud– Inductancia
– Sobretensiones
INVERSOR CON FUENTE DE INTENSIDAD
Figura 16: Inversor CSIFigura 18: Secuencia
transitoria de conmutaciónFigura 17: Tensión,
intensidad
Control de Máquinas Eléctricas 12
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
MOTOR DE ROTOR DEVANADOCONTROL DEL DESLIZAMIENTO
Figura 19: Regulación por Resistencia rotórica
Figura 20: Regulación continua con dispositivo electrónico
( ) ( )[ ]
( )
( )
++±
=
++±=
+++=
22
2
2
22
2
2
22
22
22
1
2
3
/
/3)(
XXRR
VT
XXR
Rs
XXsRR
sRVsT
THTHTHS
THiMAX
THTH
MAX
THTHS
THi
ω
ω
Control de Máquinas Eléctricas 13
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
MOTOR DE ROTOR DEVANADO.RECUPERACIÓN DE DESLIZAMIENTO
Figura 21: Grupo Kramer estático. Recuperación de la potencia de deslizamiento. Características mecánicas.
• Potencia de deslizamiento
• Potencia del convertidor
• Frecuencia de funcionamiento
Control de Máquinas Eléctricas 14
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
MOTOR DE ROTOR DEVANADO. FRENADO REGENERATIVO
• Frenado regenerativo
• Funcionamiento subsíncronoe hipersíncrono
Figura 22: Grupo Scherbius estático con convertidor reversible
Figura 23: Cicloconvertidor. Funcionamiento básico.
Control de Máquinas Eléctricas 15
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
MOTOR SÍNCRONO. CONTROL EN LAZO ABIERTO
Figura 24: Regulación de velocidad en lazo abierto.
• Regulación en lazo abierto
• Frenado regenerativo: Cicloconvertidores.
• Limitación de variación de velocidad: transitorios de sincronización.
Control de Máquinas Eléctricas 16
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
MOTOR SÍNCRONO. CONTROL EN LAZO CERRADO
Figura 25: Regulación de velocidad en lazo cerrado.
• Motor síncrono autopilotado:
• Medida de posición: Sincronización de campos magnéticos.
• Convertidor de corriente. Balance de potencia
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TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
• Convertidores AC/AC
– Entrada a V, f ctes
– Salida a V, f variables
– Límites operativos
– Secuencia de disparos
– Armónicos e interarmónicos
CICLOCONVERTIDORES (AC/AC)
Control de Máquinas Eléctricas 18
Figura 27: Cicloconvertidor trifásico (Esquema para una fase)
Figura 26: Cicloconvertidor monofásico
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
• Arranque– Inercia mecánica
– Valores I1– Rampas
• Parada– Inercia, intensidades
– Generador - freno
– Resistencia de frenado
• Cambios de consigna– Límites de respuesta
ARRANQUE Y TRANSITORIOS MECÁNICOS
Figura 28: Rampas de aceleración
Figura 29: Resistencia de frenado
Control de Máquinas Eléctricas 19
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
• Rampas de variación de f– Arranque
– Parada
– Cambios ωref
• Refuerzo de par– Ajuste dinámico
– Valor de Id
• Limitador de corriente– Márgenes de seguridad
• Compensación de s– Modelo de ajuste
CONTROL Y TRANSITORIOS
Figura 30: Bloques de control
Figura 31: Compensación deslizamiento
Control de Máquinas Eléctricas 20
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
• Pérdidas– Conmutación
– Armónicos de corriente
– Circuito magnético
– Mecánicas
– Reactiva
• Frecuencia de conmutación– Pérdidas
– Interarmónicos
RENDIMIENTO DE LOS CONVERTIDORES DE FRECUENCIA
Figura 32: Rendimientos globales (110 kW)
Figura 33: Selección frecuencia de conmutación
Control de Máquinas Eléctricas 21
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS
• Principio de funcionamiento
• Aplicaciones
• Par de arranque
• Tiempo de arranque
• Estructura y conexiones
ARRANCADORES ESTÁTICOS
Control de Máquinas Eléctricas 22
TEMA 5. CONVERTIDORES PARA M ÁQUINAS ELÉCTRICAS