Principios y Aplicaciones Avanzadas en Electrónica de Potencia y Control de Motores

Rectificadores Semicontrolados: Modos de Conducción

Los rectificadores semicontrolados, tanto monofásicos como trifásicos, pueden funcionar en modo de conducción continua o discontinua. Su funcionamiento en uno u otro caso dependerá tanto del ángulo de disparo como del tipo de carga. Esto ocurre porque la ondulación (ripple) en la corriente del inductor o en la tensión del condensador puede causar que la polaridad de la corriente o tensión aplicada se invierta durante la conmutación.

Cuadrantes de Operación de Motores de Corriente Continua (CC)

Para comprender el funcionamiento de los motores de corriente continua, es fundamental analizar sus cuadrantes de operación en un plano cartesiano:

• Abscisas: Representan el par electromagnético que produce el motor de CC y la corriente que circula por el inducido, ya que el par es directamente proporcional a esta corriente.
• Ordenadas: Indican la velocidad de giro, las tensiones del motor y la fuerza contraelectromotriz (FCEM).

Descripción de los Cuadrantes:

• Primer Cuadrante: La tensión y la corriente del inducido son positivas, al igual que el par y la velocidad. La potencia absorbida es positiva, así como la potencia mecánica que sale del motor. Hay una transformación de energía eléctrica en energía mecánica. En este cuadrante, el motor funciona como un motor eléctrico de CC.
• Segundo Cuadrante: La tensión y la FCEM son positivas, pero el par y la corriente inducida son negativos. El motor absorbe energía mecánica. Funciona como un generador eléctrico de CC, ya que genera electricidad. En este cuadrante, el motor está frenando (frenado regenerativo).
• Tercer Cuadrante: El motor funciona en sentido inverso al inicial. El par y la velocidad son negativos, y por lo tanto, la tensión y la energía absorbida también lo son.
• Cuarto Cuadrante: El par es positivo, pero la velocidad es negativa, lo que resulta en una potencia mecánica negativa. Está funcionando como un generador eléctrico, produciendo electricidad. En este cuadrante, el motor también está frenando (frenado regenerativo).

Modulación por Ancho de Pulso (PWM) con Inyección del Tercer Armónico (THIPWM)

La Modulación de la Anchura de Impulso (PWM) es una técnica ampliamente utilizada en electrónica de potencia. Una variante avanzada es la THIPWM (Third Harmonic Injection Pulse Width Modulation).

Mediante la inyección del tercer armónico, se consigue cambiar la forma de la onda, achatando ligeramente los picos. De esta forma, se reduce la amplitud de la onda y, por lo tanto, se aumenta el rango de funcionamiento del control. Así, con la inyección del tercer armónico, se busca disminuir la tensión mínima necesaria en la entrada o aumentar la potencia máxima que el inversor puede entregar a la red.

Ventajas del Convertidor Kramer en Sistemas de Accionamiento

El convertidor Kramer ofrece soluciones eficientes para el control de motores, especialmente en comparación con otras alternativas que disipan energía.

• En lugar de disipar la potencia de deslizamiento en la resistencia del circuito del rotor, un enfoque superior es convertirla en energía de línea de CA y devolverla a la red.
• Dos tipos de convertidores implementan este enfoque:
  1. Unidad Kramer Estática: Solo permite el funcionamiento a velocidad subsincrónica.
  2. Unidad Scherbius Estática: Permite la operación por encima y por debajo de la velocidad síncrona.

La potencia de deslizamiento en el circuito del rotor puede retornarse al suministro reemplazando el convertidor de CC y la resistencia R con un convertidor trifásico completo (inversor).

Adicionalmente, para el caso de los motores con rotor bobinado, se utiliza el sistema de control Kramer estático, que emplea un grupo rectificador-inversor conectado al rotor.

Este sistema funciona, desde el punto de vista del motor, de forma idéntica a la variación de la resistencia rotórica, con la salvedad de que no existen las pérdidas de potencia que se generarían al utilizar elementos pasivos de control. En efecto, un motor con control basado en la resistencia rotórica puede operar con eficiencias en torno al 70%, mientras que con el sistema Kramer estático, el rendimiento puede alcanzar hasta el 95%, ya que la potencia que eventualmente se disiparía en las resistencias es devuelta a la red a través del grupo rectificador-inversor.