Electrónica de Potencia/Módulos de regulación de continua/Texto completo

Introducción

Cuando la alimentación sea una fuente de voltaje continuo, el principio de conmutar de forma periódica las conexiones entre la fuente D.C y la carga proporciona un mecanismo para controlar la potencia en la carga. Estos circuitos se les denomina troceadores ("choppers") o reguladores estáticos de continua.

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: ƒ

-         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. ƒ

-         Alimentación de motores de corriente continua, cuya regulación requiere tensiones continuas variables. Las potencias utilizadas en este caso son considerables.

Troceador Clase A

La corriente circulante por la carga es positiva, o lo que es lo mismo, fluye hacia la carga. Lo mismo ocurre con la tensión en la misma. Es un convertidor que trabaja en un solo y único cuadrante, con lo que ni la tensión ni la intensidad pueden modificar su sentido.

Un convertidor que verifica este modo de operación es el que se recoge en la siguiente figura . Donde V puede representar la fuerza contraelectromotriz de un motor DC.

Cuando el interruptor se cierra, la fuente de tensión E se conecta a la carga, el diodo D queda polarizado en inverso. La intensidad crece exponencialmente mientras circula a través de R, L y V. Por otro lado, cuando el interruptor se abre, la carga queda totalmente aislada de la fuente primaria de energía, la intensidad tiende a decrecer y en la bobina se induce una f.e.m. negativa que provoca que el diodo D entre en conducción, actuando como un diodo volante o de libre circulación.

Desarrollo matemático

Simulación Pspice

• CIRCUITO TROCEADOR DIRECTO PRIMER CUADRANTE

V1 1 0 100

X1 1 2 SCRDC PARAMS:T=1 TD=0 TP=180 FRE=1000

D1 0 2 DMOD

.MODEL DMOD D

L 2 3 10M IC=8.75

R 3 4 5

VC 4 0 50

.LIB LEP2016.LIB

.TRAN 1U 2M 0M 1U

.PROBE

.options itl4 = 40 itl5 = 20000  ; *ipsp*

Troceador Clase B

Opera exclusivamente en el segundo cuadrante. Por tanto, la tensión en la carga sigue positiva, mientras que la intensidad que circula por la carga es negativa. En otras palabras, se puede decir que la intensidad escapa de la carga y fluye hacia la fuente primaria de tensión. Es por ello que este convertidor recibe también el apelativo de convertidor regenerativo.

Un convertidor de este tipo es el que se ofrece en la siguiente figura. Cuando el interruptor S se cierra, la tensión VO se hace cero, quedando el diodo polarizado en inverso. Al mismo tiempo, la batería V, provocará la circulación de corriente a través de R-L-S, almacenando la bobina energía. Cuando se produzca la apertura del interruptor, la aparición de una fuerza electromotriz en la bobina se sumará a V. Si VO > E, el diodo quedará polarizado en directo, permitiendo la circulación de corriente hacia la fuente.

Desarrollo matemático

Simulación Pspice

• CIRCUITO TROCEADOR INVERSO SEGUNDO CUADRANTE

V1 1 0 100

X1 2 0 SCRDC PARAMS:T=1 TD=270 TP=90 FRE=1000

D1 2 1 DMOD

.MODEL DMOD D

L 2 3 10M

R 3 4 5

VC 4 0 100

.LIB LEP2016.LIB

.TRAN 1U 30M 0M 1U

.PROBE

.options itl4 = 40 itl5 = 0  ; *ipsp*

Tipo Clase C  (2 cuadrantes)

Introducción

En este caso el troceador o chopper puede operar tanto en el primer como el segundo cuadrante. Por tanto, la tensión en la carga V_O sólo puede ser positiva, mientras que la intensidad I_O podrá adoptar tanto valores positivos como negativos, por esto razón, se le llama también chopper de dos cuadrantes.

Este troceador se obtiene a partir de la combinación de un chopper de tipo A con otro de tipo B, tal y como se puede observar en la figura de abajo. Los interruptores S₁ y D₁ constituyen un convertidor de tipo A, por otro lado S₂ y D₂ configuran un convertidor de tipo B. Si se acciona S₁ funcionará en el primer cuadrante, intensidad positiva (I_O > 0). Por el contrario, si manteniendo S₁ abierto se abre y se cierra S₂ funcionará como un convertidor regenerativo, intensidad negativa (I_O < 0). Se debe asegurar que no se produzca el disparo simultáneo de los dos interruptores, ya que la fuente primaria de alimentación se cortocircuitaría, produciendo problemas en la instalación.

Los interruptores S₁ y S₂ se abren y se cierran siguiendo una señal de periodo T denominada periodo de convertidor. El tiempo durante el cual los interruptores (S₁ o S₂) están cerrados, y por tanto la carga (R, L, V) se encuentra conectada a la fuente primaria de energía, se denominará tiempo de conducción, T_ON. Por otro lado, el tiempo que los interruptores permanecen abiertos, dejando aislada la carga, se llamará tiempo de bloqueo, T_OFF.

Explicación del circuito

Al inicio del circuito, se tiene que el interruptor S₁ está cerrado y S₂ abierto, por tanto se obtiene el siguiente circuito. La corriente i(t) circula en sentido horario como marca la flecha.

Pasado un tiempo (T_ON) el interruptor S₁ se abre impidiendo el paso de la corriente i(t). La corriente buscará otro camino alternativo al anterior; éste será el formado por la carga (R, L, V) y el diodo D₁ como se muestra en la figura.

Una vez que la corriente se haya agotado, el interruptor S₂ se cerrará, consiguiendo una corriente negativa como muestra la figura.

Pasado un tiempo (T_ON) el interruptor S₂ se abre impidiendo el paso de la corriente i(t). La corriente buscará otro camino alternativo al anterior; éste será el formado por la carga (R, L, V) y el diodo D₂, como se muestra en la figura.

De este modo se consigue el retorno de la corriente a la fuente de continua E. Este ciclo se repetirá, obteniendo la siguiente gráfica.

A continuación, se van a calcular la corriente máxima I_MAX y la corriente mínima I_MIN, del circuito. Para empezar se va a estudiar el primer intervalo (circuitos 4 y 1) y finalmente el segundo intervalo (circuitos 2 y 3).

Tras estas ecuaciones se obtienen las expresiones de la corriente máxima I_MAX y mínima I_MIN.

Si obtenemos que la I_MAX y mínima I_MIN son positivas (I_MAX > 0 / I_MIN > 0), el troceador se encontrará trabajando en el primer cuadrante; si por el contrario, se obtiene que ambas corrientes son negativas (I_MAX < 0 / I_MIN < 0), se encontrara en el segundo cuadrante. Se recuerda que la tensión Vo se mantiene positiva en todo momento.

Se podría dar un tercer caso, en el cual la corriente máxima sea positiva y la mínima sea negativa (I_MAX > 0 / I_MIN < 0). En esta situación se calcula el cuadrante de trabajo de la siguiente manera:

Simulación con PSPice

A continuación se deja el código para realizar la simulación con el programa PSPice A/D.

TROCEADOR TIPO C

Circuito Troceador PSPice

V1 1 0 100

X1 1 2 SCRDC PARAMS:T=1 TD=0 TP=169 F=1000

D1 0 2 DMOD

X2 2 0 SCRDC PARAMS:T=1 TD=170 TP=189 F=1000

D2 2 1 DMOD

.MODEL DMOD D

L 2 3 10M

R 3 4 5

VC 4 0 50

.LIB LEP2016.LIB

.TRAN 10U 30M 0M 1U

.PROBE

.options itl4 = 40 itl5 = 0  ; *ipsp*

A continuación, se muestran unas gráficas obtenidas con el programa PSPice, donde se comprueba el correcto funcionamiento del circuito, explicado anteriormente:

Grafica de Corriente en la Carga

Grafica de Tension en la Carga

Troceador Clase E

Introducción

Convertidor de puente completo montado con transistores bipolares de puerta aislada (IGBT)

También llamado troceador de cuatro cuadrantes ya que la corriente en la carga puede ser tanto positiva como negativa, al igual que ocurre con el voltaje de la misma.

Al circuito de la figura se le conoce como convertidor de puente completo. Puede funcionar como troceador (regulación CC-CC) o como inversor (conversión CC-AC) y aunque la topología de tipo puente es la misma para ambas aplicaciones, el tipo de control varía de una a otra.

La regulación CC se consigue regulando el ancho de banda de la señal a una frecuencia fija y el dispositivo de conmutación por lo general suele ser un transistor BJT,MOSFET o IGBT.

Funcionamiento en los 4 cuadrantes

Se pueden combinar dos troceadores de clase C (2 cuadrantes) para formar un troceador de clase E.

El troceador de puente completo se utiliza para regular voltaje en accionamientos motrices de corriente continua, en siguiente figura observamos los 4 cuadrantes de funcionamiento junto con los dispositivos que son operativos en los distintos cuadrantes.

Funcionamiento en los 4 cuadrantes

-En el 1º cuadrante: V,I,E son positivas (con V > E) consiguiendo un par motor y una velocidad positivos.

-En el 2º cuadrante: La fuerza contra electro motriz E permanece positiva. Como V < E , la corriente es negativa lo que implica que el motor funciona en sentido directo pero con par motor negativo (frenado regenerativo a favor de la marcha)

-En el 3º cuadrante: V y E son negativas de manera que V > E (En magnitud), teniendo una corriente negativa y con ello un par motor y una velocidad negativas.

-En el 4º cuadrante: V y E son negativas pero esta vez V > E (En magnitud), teniendo una corriente positiva y con ello un par motor positivo con la energía fluyendo del motor a la fuente.

Ejemplos de aplicación:

-Ejemplo 1:

Podemos mantener abierta una “diagonal” (por ejemplo, S1 y S2 abiertos) para que el ciclo de trabajo lo realicen los otros dos interruptores (S3 y S4) abriéndose y cerrándose a la vez.

De esta manera cuando S3 y S4 están cerrados, cae voltaje negativo sobre la carga mientras que la corriente circuila en sentido negativo.
Cuando S3 y S4 se abren, la corriente que atraviesa la carga la carga puede circular por los diodos D1 y D2 siendo negativa durante todo el periodo mientras que el voltaje en la carga ahora es positivo, funcionando así en el 2º y 3º cuadrante.

Con este método podemos tener dos posibles troceadores de tipo D cada uno de los cuales controlaría un sentido de giro distinto de un motor.

Podríamos conseguir trabajar en el 1º y 4º cuadrante si realizamos la misma secuencia cambiando S1 y S2 por S3 y S4 (Al igual que los diodos D1 y D2 por D3 y D4 respectivamente).

-Simulación en PSpice AD:

TROCEADOR EN PUENTE COMPLETO (2º y 3º cuadrante)

Troceador en puente completo

v1 1 0 100
x1 1 2 SCRDC PARAMS:T=0 TD=0 TP=0 F=1000
d1 2 1 dmod
x2 3 0 SCRDC PARAMS:T=0 TD=0 TP=0 F=1000
d2 0 3 dmod
x3 1 3 SCRDC PARAMS:T=1 TD=180 TP=179 F=1000
d3 3 1 dmod
x4 2 0 SCRDC PARAMS:T=1 TD=180 TP=179 F=1000
d4 0 2 dmod
L 2 4 10M
R 4 5 10
VC 5 3 30
.model dmod d(is=2.2e-15 bv=1800)
.LIB LEP2016.LIB
.TRAN 10u 12M 10M 10u
.probe

-Subcircuito Interruptor

.SUBCKT SCRDC 1 2 PARAMS: T=1 TD=0 TP=90 F=1000
ST 1 5 3 0 SMOD
DT 5 2 DMOD
VG 3 0 PULSE (0 {10*T} {TD/(360*F)} 0 0 {TP/(360*F)} {1/F})
RG 3 0 10MEG
.MODEL SMOD VSWITCH(RON=0.001 ROFF=10E8 VON=5 VOFF=2)
.MODEL DMOD D
.ENDS SCRDC

En la siguiente gráfica podemos ver la tensión en la carga

Observando la gráfica de la intensidad podemos notar que es negativa en todo el periodo, aunque el voltaje cambie de positivo a negativo (3º y 4º cuadrante)

-Ejemplo 2:

Otro método, similar al anterior, sería mantener una diagonal abierta (S3 y S4) pero de manera que el ciclo de trabajo lo realice únicamente un “interruptor” (Por ejemplo S1, manteniéndose S2 cerrado durante todo el periodo).

De esta manera el sentido de la intensidad (y por tanto del giro de un motor conectado al circuito) lo define la diagonal activa; ya que cuando conduzcan S1 y S2 el tanto el voltaje como la intensidad que circula por la carga son positivos.
En el momento en que S1 se abra, la corriente circulará por D4 manteniendo su sentido pero haciendo que la caida de tensión en la carga sea 0.

-Simulación en PSpice AD:

TROCEADOR EN PUENTE COMPLETO

Troceador en puente completo

v1 1 0 100
x1 1 2 SCRDC PARAMS:T=1 TD=0 TP=179 F=1000
d1 2 1 dmod
x2 3 0 SCRDC PARAMS:T=1 TD=0 TP=359 F=1000
d2 0 3 dmod
x3 1 3 SCRDC PARAMS:T=0 TD=0 TP=0 F=1000
d3 3 1 dmod
x4 2 0 SCRDC PARAMS:T=0 TD=0 TP=0 F=1000
d4 0 2 dmod
L 2 4 10M
R 4 5 10
VC 5 3 30
.model dmod d(is=2.2e-15 bv=1800)
.LIB LEP2016.LIB
.TRAN 10u 12M 10M 10u
.options itl4=50 abstol=10m reltol=10m
.probe

-Subcircuito Interruptor

.SUBCKT SCRDC 1 2 PARAMS: T=1 TD=0 TP=90 F=1000
ST 1 5 3 0 SMOD
DT 5 2 DMOD
VG 3 0 PULSE (0 {10*T} {TD/(360*F)} 0 0 {TP/(360*F)} {1/F})
RG 3 0 10MEG
.MODEL SMOD VSWITCH(RON=0.001 ROFF=10E8 VON=5 VOFF=2)
.MODEL DMOD D
.ENDS SCRDC

En la siguiente gráfica podemos ver la tensión en la carga:

Vemos también la intensidad en la carga, que en este caso es siempre positiva:

-Ejemplo 3:

Por último, otro método sería alternar las diagonales.
De esta forma el circuito puede funcionar como un inversor (si el ciclo de trabajo es 0,5), teniendo alternativamente una diferencia de potencial en el motor de +V , -V.
Cuando conducen S1 y S2 cae en el motor una diferencia de potencial positiva y circula por el una corriente en sentido negativo.
Al conmutar los interruptores, comienzan a conducir S3 y S4 manteniendo el sentido de la intensidad pero siendo ahora la diferencia de potencial en los bornes del motor neativa.

-Simulación en PSpice AD:

TROCEADOR EN PUENTE COMPLETO

Troceador en puente completo

v1 1 0 100
x1 1 2 SCRDC PARAMS:T=1 TD=0 TP=179 F=1000
d1 2 1 dmod
x2 3 0 SCRDC PARAMS:T=1 TD=0 TP=179 F=1000
d2 0 3 dmod
x3 1 3 SCRDC PARAMS:T=1 TD=180 TP=179 F=1000
d3 3 1 dmod
x4 2 0 SCRDC PARAMS:T=1 TD=180 TP=179 F=1000
d4 0 2 dmod
L 2 4 10M
R 4 5 10
VC 5 3 30
.model dmod d(is=2.2e-15 bv=1800)
.LIB LEP2016.LIB
.TRAN 10u 12M 10M 10u
.probe

-Subcircuito Interruptor

.SUBCKT SCRDC 1 2 PARAMS: T=1 TD=0 TP=90 F=1000
ST 1 5 3 0 SMOD
DT 5 2 DMOD
VG 3 0 PULSE (0 {10*T} {TD/(360*F)} 0 0 {TP/(360*F)} {1/F})
RG 3 0 10MEG
.MODEL SMOD VSWITCH(RON=0.001 ROFF=10E8 VON=5 VOFF=2)
.MODEL DMOD D
.ENDS SCRDC

En la siguiente gráfica podemos ver la tensión en la carga:

Vemos también que la intensidad en este caso oscila entre valores negativos y positivos: