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Conmutación forzada

En algunos circuitos de tiristor, el voltaje de entrada es de cd, para desactivar al tiristor, la corriente en sentido directo del tiristor se obliga a pasar por cero utilizando un circuito adicional conocido como circuito de conmutación. Esta técnica se conoce como conmutación forzada y por le común se aplica en los convertidores de cd a cd (pulsadores) y en convertidores de cd a ca (inversores). La conmutación forzada de un tiristor se puede lograr de siete maneras diferentes, que pueden clasificarse como: Esta clasificación de las conmutaciones forzadas se basa en la disposición de los componentes del circuito de conmutación y en la forma en que la corriente de un tiristor se fuerza a cero. El circuito de conmutación está formado por lo general de un capacitar, un inductor y uno o más tiristores y/o diodos.

Autoconmutacíón



Figura 1
En este tipo de conmutación, el tiristor es desactivado debido a las características naturales del circuito. En el circuito de la figura 1a, con la hipótesis de que el capacitar está inicialmente sin carga. Cuando se activa el tiristor T1, la corriente de carga
el capacitar i está dada por,
Con condiciones iniciales vc(t = 0) = 0 e i(t = 0) = 0, la solución de la ecuación da la corriente de carga i como:
y el voltaje del capacitar como
donde .
Después del tiempo t = to, la corriente de carga se convierte en cero y el tiristor T1 se interrumpe por sí mismo. Una vez que el tiristor T1 es disparado, existe un retraso de to segundos antes de que T1 sea desactivado, por lo que to puede llamarse el tiempo de conmutación del circuito. Este método de desactivación de un tiristor se conoce como autoconmutación y se dice que el tiristor T1 está autoconmutado. Cuando la corriente del circuito se abate hasta cero, el capacitor se carga hasta 2Vs. Las formas de onda se muestran en la figura 1b.

En la figura 2a aparece un circuito típico en el que el capacitor tiene un voltaje inicial -Vo. Cuando se dispara el tiristor T1, la corriente que fluirá a través del circuito está dada por:

Con un voltaje inicial vc(t = 0) = -Vo e i(t = 0) = 0, la ecuación anterior da la corriente del capacitor como

y el voltaje del capacitar como
Después del tiempo t = tr = to, la corriente se convierte en cero y el voltaje del capacitor se invierte a Vo. tr se conoce como el tiempo de inversión. Las formas de onda se muestran en figura 2b.
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Figura 2

Conmutación por impulso


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Figura 3
En la figura 3 se muestra un circuito conmutado por impulso. El capacitar está cargado inicialmente a un voltaje de -Vo con la polaridad que se muestra.

Supongamos que el tiristor T1 está inicialmente conduciendo y tiene una corriente de carga Im. Cuando se dispara el tiristor auxiliar T2, el tiristor T1 queda con polarización inversa, debido al voltaje del capacitor, y T1 se desactiva. La corriente a través del tiristor T1 dejará de fluir y el capacitor conducirá la corriente de carga. El capacitor se descargará desde -Vo hasta cero y a continuación cargará al voltaje de cd de entrada Vs, cuando la corriente del capacitar pase por cero y el tiristor T2 se desactive. La inversión de carga del capacitar desde Vo(=Vs) hasta -Vo ocurre entonces al disparar el tiristor T3. El tiristor T3 es autoconmutado en forma similar al circuito de la figura 2.

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Figura 4
El circuito equivalente durante el período de conmutación aparece en la figura 4a. Los voltajes del tiristor y del capacitar se muestran en la figura 4b. El tiempo requerido para que se descargue el capacitar desde -Vo hasta cero se conoce como tiempo de desactivación del circuito toff y debe ser mayor que el tiempo de desactivación del tiristor tq. toff también se conoce como tiempo disponible de desactivación. El tiempo de descarga dependerá de la corriente de la carga; suponiendo una corriente de carga constante Im, toff está dado por:
es decir
Dado que se aplica un voltaje inverso de Vo a través del tiristor T1 inmediatamente después del disparo del tiristor T2, esto se conoce como conmutación por voltaje. Debido a la utilización del tiristor auxiliar T2, este tipo de conmutación también se conoce como conmutación auxiliar. El tiristor T1 a veces se denomina tiristor principal porque conduce la corriente de carga.

Se puede observar de la ecuación de toff que el tiempo de desactivación del circuito, toff, es inversamente proporcional a la corriente de carga; así, para una carga muy pequeña (o una corriente de carga baja) el tiempo de desactivación será muy grande, y para una corriente de carga alta el tiempo de desactivación será pequeño. En un circuito ideal de conmutación, el tiempo de desactivación deberá ser independiente de la corriente de carga, a fin de garantizar la conmutación del tiristor T1. La descarga del capacitor se puede acelerar conectando un diodo D1 y un inductor Ll a través del tiristor principal, tal y como se muestra en la figura 5.

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Figura 5

Conmutación por pulso resonante



La conmutación por pulso resonante se puede explicar mediante la figura 6a. En la figura 6b se muestran las formas de onda para la corriente y el voltaje del capacitor. El capacitar se carga inicialmente con la polaridad como se muestra estando el tiristor T1 en modo de condición, con una corriente de carga Im.

Cuando se dispara el tiristor de conmutación T2, se forma un circuito resonante constituido; por L, C, T1 y T2. Se puede deducir la corriente resonante como:

y el voltaje del capacitor es:
donde Ip es el valor pico permisible de la corriente de resonancia.

Debido a la corriente de resonancia, la corriente en sentido directo del tiristor T1 se reduce a cero en t = t1, cuando la corriente de resonancia se iguala con la corriente de carga Im. El tiempo t1 debe satisfacer la condición i(t = t1) = Im en la ecuación i(t), y se determina como:

El valor correspondiente del voltaje del capacitor es:

La corriente a través del tiristor T1 dejará de fluir y el capacitar se volverá a cargar a una velocidad determinada por la corriente de carga Im. El capacitar se descargará desde su voltaje empezará a elevarse hasta el voltaje en cd de la fuente Vs, en cuyo momento empezará a conducir el diodo Dm., con un tiempo igual a to. Esto se muestra en la figura 6b. La energía almacenada en el inductor L debido a la corriente de pico de la carga Im se transfiere al capacitor, haciendo que se sobrecargue. El voltaje del capacitar se invierte desde Vc(=Vo) hasta -Vo mediante el disparo de T3. T3 está autoconmutado en forma similar al circuito de la figura 2. Este circuito puede no ser estable debido a la acumulación de energía en el capacitar de conmutación.

El circuito equivalente para el período de carga es similar al de la figura 4a. El tiempo de desactivación del circuito es:

efinamos un parámetro x que es la relación entre la corriente de pico resonante Ip y la corriente de pico de carga Im. Entonces:

Para reducir hasta cero la corriente hacia adelante de T1, el valor de x debe ser mayor que 1. En la práctica, se seleccionan los valores de L y C de tal forma que x = 1.5. El valor de t1 es por lo general pequeño, y V1 » Vo. El valor de toff obtenido deberá aproximarse al obtenido a partir de la ecuación toff. En el tiempo t2, la corriente del capacitar baja hasta la corriente de carga Im. Durante el tiempo tc, se descarga el capacitar C y se recarga hasta el voltaje de alimentación Vs. Durante el tiempo to, la energía almacenada en el inductor L es devuelta al capacitar C, haciendo que se sobrecargue el capacitor con respecto al voltaje de alimentación Vs.

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Figura 6
Debido al uso de un pulso resonante de corriente para reducir la cd del tiristor T1 hasta cero, este tipo de conmutación también se conoce como conmutación por corriente. El tiempo de desactivación del circuito toff también es dependiente de la corriente de la carga. La descarga del voltaje del capacitar se puede acelerar, conectando el diodo D2 tal y como se muestra en la figura 7a. Sin embargo, una vez reducida a cero la corriente del tiristor T1, el voltaje inverso que aparece a través de T1 es la caída directa del voltaje del diodo D2, que es pequeña. Esto reduce la velocidad de recuperación del tiristor y hace necesario un tiempo de polarización inversa más largo de no existir el diodo D2. La corriente del capacitar ic(t) y del voltaje del capacitor vc(t) se muestran en la figura 7b.
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Figura 7

Conmutación complementaria



La conmutación complementaria se utiliza para transferir corriente entre dos cargas; una disposición como ésta aparece en la figura 8. El disparo de un tiristor conmuta a otro.

Cuando se dispara el tiristor T1, la carga con R1 se conecta al voltaje de alimentación, Vs, y al mismo tiempo se carga el capacítor C hasta Vs, a través de la otra carga con R2. La polaridad del capacitor C es como la que aparece en la figura 8. Cuando se conecta el tiristor T2, el capacitor queda colocado a través del tiristor T1 y la carga con R2 se conecta al voltaje de alimentación, Vs. T1 adquiere polarización inversa y se desactiva mediante la conmutación por impulso. Una vez desactivado el tiristor T1, el voltaje del capacitar se invierte a -Vs a través de R1, T2 y la alimentación. Si el tiristor T1 se vuelve a disparar, el tiristor T2 se desactiva y el ciclo se repite. Por lo general, los dos tiristores conducen con iguales intervalos de tiempo. Las formas de onda de los voltajes y las corrientes aparecen en la figura 9 para R1=R2=R. Dado que cada tiristor se desconecta debido a la conmutación por impulso, este tipo de conmutación a veces se conoce como conmutación complementaria por impulso.

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Figura 8

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Figura 9

Conmutación por pulso externo



Para desactivar un tiristor que está conduciendo, se utiliza un pulso de corriente que se obtiene de un voltaje externo. En la figura 10 se muestra un circuito de tiristor mediante la conmutación por pulso externo y dos fuentes de alimentación. Vs es el voltaje de la alimentación principal y V es el voltaje de la fuente auxiliar.

Si se dispara el tiristor T3, el capacitor se cargará a partir de la fuente auxiliar. Suponiendo que inicialmente el capacitor no estaba cargado, un pulso resonante de corriente de pico V(CL)½, similar al circuito de la figura 1, fluirá a través de T3, y el capacitor se cargará hasta 2V. Si el tiristor T1 está conduciendo y se aplica una corriente de carga a partir de la fuente principal Vs, el disparo del tiristor T2 aplacará un voltaje inverso Vs - 2V a través del tiristor T1; y T1 se desactivará. Una vez desactivado el tiristor T1, el capacitor se descargará a través de la carga a una velocidad determinada por la magnitud de la corriente de carga, Im.

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Figura 10

Conmutación del lado de la carga



En la conmutación del lado de la carga, la carga forma un circuito en serie con el capacitor; descarga y recarga del capacitor se efectúan a través de la carga. El rendimiento de los circuitos de conmutación del lado de la carga depende de la carga y los circuitos de conmutación no pueden probarse sin conectar la carga. Las figuras 3, 5, 6 y 7 son ejemplos de conmutación lado de carga.

Conmutación del lado de la línea



En este tipo de conmutación, la descarga y recarga del capacitar no se llevan a cabo a través de carga, por lo que el circuito de conmutación se puede probar sin conectarla. La figura 11a muestra un circuito como éstos.

Cuando se dispara el tiristor T2, el capacitar C se carga hasta 2Vs, y T2 se autoconmuta en forma similar al circuito de la figura 1. El tiristor T3 se dispara para invertir el voltaje del capacitor hasta -2Vs, y T3 también queda autoconmutado. Si suponemos que el tiristor T1 está conduciendo y lleva una corriente de carga Im, el tiristor T2 se dispara para desactivar T1. El disparo del tiristor T2 dará polarización directa al diodo Dm. y aplicará un voltaje inverso de 2Vs a través de T1; T1 se desactivará. La descarga y la recarga del capacitar se efectuarán a través de la alimentación. Para probar el circuito de conmutación no se requiere de la conexión de la carga.

El inductor L lleva la corriente de carga; el circuito equivalente durante el período de conmutación aparece en la figura 12. La corriente del capacitar se expresa como:

con condiciones iniciales i(t = 0) =Im y vc(t = 0) = -2Vs. La solución de la ecuación da la corriente y el voltaje del capacitar como:
y
donde

El tiempo de desactivación del circuito, toff, se obtiene de la condición vc(t = toff) = 0 de la ecuación vc(t), y después de simplificar se resuelve como:

donde

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Figura 11
El tiempo de conducción del tiristor T2, que se puede determinar a partir de la condición i(t = t1) = 0 en la ecuación i(t), está dado por

Bajo condiciones de no carga, Im = 0 y x es infinito. La ecuación vc(t) da el valor de toff como:

y

Nota. Si Im= 0 y , el voltaje del capacitor de la ecuación vc(t) se convierte en vc(t = t1) = Vo = 4Vs, y habrá una elevación continua del voltaje del capacitor. A fin de limitar la sobrecarga del capacitor, por lo común el inductor L se reemplaza por un transformador de recuperación de energía con un diodo, tal y como se muestra en la figura 11b.


Figura 12