CAPÍTULO 5
CONTROLADORES DE VOLTAJE
5.1 GENERALIDADES
Si un tiristor conmutador se conecta entre la alimentación de ca y la carga, es posible controlar el flujo de potencia variando el valor rms del voltaje de ca aplicado a la carga; este tipo de circuito de potencia se conoce como un controlador de voltaje de ca.
Para la transferencia de potencia, normalmente se utilizan dos tipos de control:
1. Control de abrir y cerrar
2. Control de ángulo de fase
En el control de abrir y cerrar, los tiristores conectan la carga a la fuente de ca durante unos cuantos ciclos de voltaje de entrada y a continuación la desconectan por unos cuantos ciclos más. En el control de ángulo de fase, los tiristores conectan la carga a la fuente de ca durante una porción de cada uno de los ciclos de voltaje de entrada.
Los controladores de voltaje de ca se pueden clasificar en dos tipos: (1) controladores monofásicos y (2) controladores trifásicos. Cada uno de estos tipos se puede subdividir en (a) unidireccional o control de media onda y (b) bidireccional o control de onda completa.
Dado que el voltaje de entrada es de ca, los tiristores son conmutados por línea, no hay necesidad de circuitería adicional de conmutación.
5.2 PRINCIPIO DEL CONTROL DE ABRIR Y CERRAR
El principio de control de abrir y cerrar se puede explicar en un controlador de onda completa monofásico, tal y como se muestra en la figura 6.1. El tiristor conecta la alimentación de ca a la carga durante un tiempo tn; un pulso inhibidor de compuerta abre el interruptor durante un tiempo t0.
El tiempo activo, tn, está formado, por lo común, de un número entero de ciclos.
Figura 5.1. Control de abrir y cerrar.
Debido a la conmutación en voltaje y en corriente cero de los tiristores, las armónicas generadas por las acciones de conmutación son reducidas.
5.3 PRINCIPIO DE CONTROL DE FASE
El principio de control de fase se puede explicar haciendo referencia a la figura 5.2. El flujo de potencia hacia la carga queda controlado retrasando el ángulo de disparo del tiristor T1. Debido a la presencia del diodo D1, el rango de control está limitado y el voltaje rms efetivo de salida sólo puede variar entre 70.7 y 100%. El voltaje de salida y la corriente de entrada son asimétricos y contienen una componente de cd. Si hay un transformador de entrada puede ocurrir un problema de saturación. Este circuito es un controlador monofásico de media onda, adecuado sólo para cargas resistivas de poca potencia, como son la calefacción y la iluminación. Dado que el flujo de potencia está controlado durante el semiciclo del voltaje de entrada, este tipo de controlador también se conoce como controlador unidireccional.
Figura 5.2. Control de ángulo monofásico.
5.4 CONTROLADORES BIDIRECCIONALES MONOFÁSICOS CON CARGAS
RESISTIVAS
El problema de la cd de entrada se puede evitar utilizando control bidireccional (o de onda completa), en la figura 5.3 aparece un controlador monofásico de onda completa con carga completa.
Durante el semiciclo de voltaje de entrada, se controla el flujo de potencia variando el ángulo de retraso del tiristor t1; el tiristor T2 controla el flujo de potencia durante el semiciclo de voltaje de entrada. Los pulsos de disparo de T1 y T2 se conservan a 180º uno del otro.
Figura 5.3. Controlador monofásico de onda completa.
5.5 CONTROLADORES TRIFÁSICOS DE MEDIA ONDA
En la figura 5.4 aparece el diagrama de circuito de un controlador trifásico de media onda (o unidirecional) con una carga resistiva conectada en estrella. El flujo de corriente hacia la carga está controlado mediante los tiristores T1, T3 y T5; los diodos proporcionan la trayectoria de corriente de regreso. La secuencia de disparo de los tiristores es T1, T3, T5. Para que fluya la corriente a través del controlador de corriente, por lo menos un tiristor debe conducir. Si todos los dispositivos fueran diodos, tres diodos conducirían simultáneamente siendo el ángulo de conducción de cada uno de ellos de 180º. Una vez que un tiristor empieza a conducir, sólo puede desactivarse cuando su corriente disminuye a cero.
Figura 5.4. Controlador trifásico unidireccional.
5.6 CONTROLADORES TRIFÁSICOS DE ONDA COMPLETA
Los controladores unidireccionales, que contienen corriente de entrada de cd y un contenido de armónicas más alto debido a la naturaleza asimétrica de la forma de onda del voltaje de salida no se utilizan normalmente en los impulsores para motores de ca; por lo general se utiliza un control bidireccional trifásico.
La operación de este controlador es similar a la de un controlador de media onda, excepto porque la trayectoria de la corriente de regreso está dada por los tiristores T2, T4 y T6 en vez de los diodos. La secuencia de disparo de los tiristores es T1, T2, T3, T4, T5, T6.
Si definimos los voltajes instantáneos de entrada por fase como.
(1)
(2)
(3)
los voltajes instantáneos de línea de entrada son:
(4)
(5)
(6)
Para
, dos
tiristores conducen inmediatamente antes dl disparo de T1 . Una vez
disparado T1, conducen tres tiristores. Un tiristor se desconecta
cuando su corriente intenta invertirse. Las condiciones se alternan entre dos
y tres tiristores en conducción. Las formas de onda resultantes pueden
observarse en la figura 6.5.
Para
, sólo
conducen dos tiristores en todo momento. Para 
, aunque conducen dos tiristores en todo
momento, existen períodos en los que ningún tiristor está activo. Para 
, no hay dingún perídod
para dos tiristores en conducción haciéndose el voltaje de salida cero en 
. El rango del ángulo
de retraso es
(7)
Figura 5.5. Formas de onda para el control bidireccional.
5.7 CONTROLADORES TRIFÁSICOS BIDIRECCIONALES CONECTADOS EN DELTA
Si
los terminales de un sistema trifásico están accesibles, los elemnetos de
control (o los dispositivos de potencia y la carga pueden conectarse en delta,
tal y como se muestra en la figura 5.6. Dado que la corriente de fase en un
sistema trifásico normal es únicamente 
de la corriente de línea, las
especificaciones de corriente de los tiristores serían menores que si los
tiristores (o los elementos de control) se colocaran en la línea.
Figura 5.6. Controlador trifásico conectado en delta.
Debido a la conexión delta, las componentes armónicas múltiplos de 3 (es decir, aquellas de orden n=3m, donde m es un entero impar) de las corrientes de fase circularían alrededor de la delta y no aparecerían en la línea. Esto se debe a que las armónicas de secuencia cero están en fase en las tres fases de la carga.
5.8 CICLO CONVERTIDORES
Un cicloconvertidor es un cambiador de frecuencia directa que convierte la potencia de ca a una frecuencia en potencia de frecuencia alterna a otra fecuencia mediante conversión de ca a ca, sin necesidad de un eslabón de conversión intermedio.
La mayor parte de los cicloconvertidors son de conmutación natural, stando la frecuencia de salida máxima limitada a un valor que es sólo una fracción de la frecuencia de la fuente. Como resultado, la aplicación de mayor importancia de los cicloconvertidores son los motores eléctricos de ca de baja velocidad, en el rango de hasta 15,000 kW, con frecuencias desde 0 hasta 20 Hz.
5.8.1 Ciclo convertidores monofásicos.
El principio de operación de los cicloconvertidores monofásico/monofásico se puede explicar con ayuda de la figura 5.7. Dos convertidores monofásicos conotrolados se operan como rectificadores de fuente. Sin embargo, sus ángulos de retraso son tales, que el voltaje de salida de uno de ellos es igual y opuesto al del otro. Si el conovertidor P está operando solo, el voltaje promedio de salida es positivo, y si el convertidor N está operando, el voltaje de salida es negativo.
Figura 5.7. Ciclo convertidor monofásico/monofásico.
La figura 5.8 muestra las formas de onda para el voltaje de salida y las señales de compuerta de los converidores positivo y negativo, coon el convertidor positivo activo durante un tiempo To/2 y el convertidor negativo operando durante un tiempo To/2. La frecuencia del voltaje de salida es fo=1/To .
El voltaje promedio de salñida del convertidor positivo es igual y opuesto al del convertiodr negativo.
(8)
Figura 5.8. Formas de onda para carga resistiva.
5.8.2 Cicloconvertidores trifásicos.
El diagrama de circuito de un cicloconvertidor trifásico/monofásico aparece en la figura 5.9. Los dos convertidores de ca a cd son rectificadores controlados trifásicos.
El convertidor positivo opera durante la mitad del período de la frecuencia de salida y el convertidor negativo durante la otra mitad. El análisis de este cicloconvertidor es similar al de los convertidores monofásico/monofásico.
El control de los motores de ca requiere de un voltaje trifásico a frecuencia variable. El cicloconvertidor de la figura 5.9 se puede extender para suministrar una salida trifásica mediante seis convertidores trifásicos.
Figura 5.9. Cicloconvertidor trifásico/ monofásico.
5.8.3. Reducción de armónicas de salida.
El voltaje de salida de los cicloconveridores se
compone fundamentalmente de segmentos de voltaje de entrada, y el valor
promedio de un segmento depende del ángulo de retraso del mismo. Si se hacen
variar los ángulos de retraso de los segmentos de tal forma que los valores
promedio de los segmentos corresponden lo más cerca posible a la variación del
voltaje de salida senoidal deseado, las armónicas del voltaje de salida se
pueden minimizar. La ecuación (9) indica que el voltaje promedio de salida de
un segmento es una función del coseno del ángulo de retraso. Los ángulos de
retraso de los segmentos se pueden generar comparando la señal del coseno en la
frecuencia de la fuente 
con un voltaje ideal senoidal de
referencia a la frecuencia de salida 
.
(9)
Los
controladores de tiristores de conmutación natural introducen armónicas de
orden bajo, tanto en la carga como en el lado de la alimentación, teniendo un
bajo factor de potencia de entrada. El rendimiento de los controladores de
voltaje de ca se puede mejorar mediante el control por modulación de ancho de
pulso (PWM).