Otras carreras Rectificador monofásico para el control de motores DC (opera en dos cuadrantes)

[eduardo66]

Buen día, espero se encuentren bien.

Tengo la presente duda, estoy estudiando el control de motores DC, específicamente los métodos de control a través de tiristores. Y tal como el que pone en el título y que se puede ver en la siguiente imagen, me interesa el caso de un rectificador monofásico completamente controlado en un motor de excitación separada.

Ok, comprendo perfectamente que este rectificador permite la operación en dos cuadrantes, específicamente en el modo de "motorización directa" cuando el ángulo de disparo es menor a 90°, pues el voltaje promedio (componente DC, denominada V_a) será positivo. Mientras que operará en modo de "regeneración en reversa" si dicho ángulo de disparo está entre 90° y 180°. Siempre teniendo en cuenta que la corriente i_a fluirá en el sentido "positivo" o dicho de otro modo, en el sentido correspondiente a la polarización directa, en ambos casos, pues al tener una carga que puede regresar energía a la fuente, esto es posible (es un motor que tiene energía cinética que puede devolver, al estar girando a una determinada velocidad).

Ahora, solo para establecer un mismo sistema de referencia, estaré usando la convención de cuadrantes del libro de accionamientos eléctricos de R. Krishnan, donde asumiendo una excitación de campo constante (lo cual se asumirá para efecos de toda la pregunta), la velocidad de giro será prácticamente proporcional al voltaje aplicado, y el torque proporcional será proporcional a la corriente de armadura, permitiendo que el eje de la velocidad (X) coincida con el del voltaje, y el del torque (Y), con el de la corriente.

Entonces, con base en lo anterior, el rectificador monofásico completamente controlado operaría en el I cuadrante cuando esté en motorización directa (voltaje, corriente, torque y velocidad positivos), y en el II cuadrante, cuando esté en modo de frenado de regeneración en reversa (corriente y torque positivos, voltaje y velocidad negativos).

Ahora viene mi duda, por lo que tengo entendido y con base en la imagen anterior, que el rectificador opere SOLO en esos dos cuadrantes, no es favorable para el motor, verdad? Porque una máquina motorizada en un determinado sentido de rotación (motorización en avance, en este caso, I cuadrante), solo puede frenarse a través de frenado regenerativo en avance (IV cuadrante), porque con velocidad positiva, se pasa de un torque positivo a un torque negativo, es decir, se va reduciendo la velocidad gradualmente, y esos torques son los que irán frenando la máquina, gracias al correcto accionamiento (que es como se accionaría una máquina que puede operar en los 4 cuadrantes, siguiendo la secuencia de la gráfica anterior, donde se quería llevar el sistema desde los valores del torque y la velocidad de P₁ a los valores de P₂).

Es decir, que solamente por acción del rectificador, ¿el motor no puede pasar del I cuarante al II cuadrante, pues hacerlo instantáneamente implicaría cambiar el sentido de rotación del motor "en seco"? Pues se estaría pasando del cuadrante I (torque y velocidad positivos) al cuadrante II (torque positivo y velocidad negativa).

Adicionalmente, quisiera confirmar que la única manera que la operación en II cuadrante sea útil para un motor DC que solo pueda trabajar en dos cuadrantes (por el rectificador), sea que se tenga una carga activa que pueda invertir su giro y devolver energía a la fuente (me gustaría confirmar esto).

Había pensado que si se podía invertir los terminales de inducido mientras trabaja en modo regenerativo en reversa, se podía efectuar el frenado a contracorriente o taponamiento, y terminaría trabajado en modo de frenado en avance, pero esta afirmación que hice es errónea, verdad?


Disculpas por si la pregunta es algo larga y gracias de antemano! Hice algunas ediciones en la formulación.

[Julián]

Es un rectificador semicontrolado. Formado por 2 SCR y 2 diodos. El disparo de los SCR puede realizarse siempre entre un ángulo de 0 a 180º.

Que opere en el 2 cuadrante dependerá de la carga inductiva, esto es debido a que un SCR, una vez que es disparado, corta cuando la corriente de ánodo es 0, no cuando la tensión entre ánodo-catodo es igual o menor 0.

Al disparar un SCR, la caida de tensión en estos tiende a cero y por lo tanto la corriente será:

$\frac{Vac - Eb}{R + j \omega L}$

Por lo tanto vemos que existe un angulo de desfase entre la tension y corriente de $arct(\frac{\omega L}{R})$, y por lo tanto cuando la tension de la fuente AC llegue a cero la corriente seguira siendo positiva un tiempo igual a $t'=\frac{arct(\frac{\omega L}{R})}{ \omega}$

Como luego de pasar por 0 la tension de la fuente se hace negativa y la corriente sigue siendo positiva un tiempo $t'$, el SCR sigue estando en conducción (así que no podemos disparar el otro para no hacer un cortocircuito).

Pero, la fuerza contraelectromotriz del motor sigue tiendo signo tal que la corriente circula de potencial mayor a potencial menor, de esta manera el motor sigue consumiendo potencia, al igual que la fuente Vac. El único elemento que entrega potencia es la inductancia.

Si tenemos tension y corriente de signos opuestos en la carga eso implica que la carga esta entregando potencia y no consumiendo (consume potencia cuando el sentido de la corriente va de un potencial mayor a un potencial menor), por lo que la fuente esta recibiendo potencia.

Así que con este tipo de convertidores no podemos hacer un frenado regenerativo, la energía que vuelve a la fuente es la energía que se almacenó en la inductancia. Lo que si al disminuir la corriente disminuye el par motor.

¿el motor no puede pasar del I cuarante al II cuadrante, pues hacerlo instantáneamente implicaría cambiar el sentido de rotación del motor "en seco"?

$V I = \tau \omega$

La velocidad angular es positiva y el torque negativo. Que el torque sea negativo implica que:

$\tau = \frac{d L}{ dt}=\frac{d I \omega}{ dt} = \frac{ I d \omega}{ dt}$

Por lo que vemos que un torque negativo disminuye la velocidad angular, nada mas (digamos que es una aceleración negativa, y no implica que la velocidad angular se detiene y al sentido opuesto inmediatamente!!). Cuanto la corriente sea igual a cero, se "apagará" el SCR, pudiendo prender el otro. El motor podrá o no llegar a una velocidad angular igual a cero, eso depende del motor (de la velocidad angular que ha adquirido, la rodadura del mismo, etc)

[eduardo66]

Buenos días, muchas gracias por la respuesta.

Es un rectificador semicontrolado. Formado por 2 SCR y 2 diodos.

aquí me había equivocado, había puesto la imagen incorrecta, me refería realmente a un rectificador completamente controlado.

De todas maneras, muchas gracias por ayudarme con lo del torque negativo!!