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ELECTRÓNICA DE POTENCIA

ELECTRÓNICA DE POTENCIA
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ELECTRÓNICA DE POTENCIA

La electrónica de potencia o industrial se  define como la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y  conversión de la energía eléctrica en las nuevas Tecnologías. La Electrónica De Potencia Combina La Electrónica Y El Control; el control se encarga del régimen permanente y de las características dinámicas de los sistemas de lazo cerrado y la energía tiene que ver con el equipo de potencia estática, rotativa o giratoria para la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica. La electrónica industrial se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado sólido requeridos en el procesamiento de señales para cumplir con los objetivos de control deseados.

  • Tipos de electrónica
  • Transformación de la energía eléctrica
  • Dispositivos de potencia
  • Conversión CA/CC: rectificadores
  • Conversión CC/CC
  • Conversión CC/CA: inversores
  • Aplicaciones

 

CLASIFICACIÓN DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Basado en la industria se clasifica:

I.-ELECTRÓNICA FINA O DE ALTA FIDELIDAD:

Audio/vídeo (electrodomésticos). Elementos: Transistores, fets, ic lineales, ic digitales, entre otros….

II.-ELECTRÓNICA DE POTENCIA (APLICADO A LA INDUSTRIA)

Rectificadores de potencias controladas y no controladas: Monofásicos, trifásicos, Inversores, Choppers, Ciclo convertidores

Elementos: Familia de los Tiristores: SCR, TRIAC, UJT, PUT, SUS, SBS,  TRANSISTORES DE POTENCIA Y OTROS

III.-ELECTRÓNICA DE CONTROL :

A.-Instrumentación Industrial.

Sistema de lazo cerrado de control de procesos, Control de temperatura, Control de nivel de flujo, Control de presión, entre otros…

B.-Instrumentación analítica.

Analizador de sangre, orina, Espectrofotómetros: Absorción/Emisión, Cromatógrafos, Phmetro (poder de hidrogeno/poder de acides

CONVERTIDORES DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Son  diversos circuitos que muestran las modificaciones de la presentación de la energía eléctrica.

DIAGRAMA EN BLOQUES

 

SEMICONDUCTORES ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Los semiconductores empleados para la conmutación dentro de la parte de potencia de un equipo electrónico industrial presentan dos estados de funcionamiento: Conducción Y De Bloqueo: (Conducción y no conducción)

CLASIFICACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES

Características General

  • Semiconductores sin mando
  • Con mando simple
  • Con mando doble y
  • Con acción progresiva.

 

DIODOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Es uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia limitaciones: son dispositivos unidireccionales, no  circula corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo. Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaz de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fuga.

Su ecuación siguiente: Donde

  • I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo
  • VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.
  • IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12A)
  • q es la carga del electrón cuyo valor es 1.6 * 10 − 19
  • T es la temperatura absoluta de la unión
  • k es la constante de Boltzmann
  • n es el coeficiente de emisión, depende de la fabricación del diodo y  adopta valores entre 1 (para el germanio) y  2 (para el silicio).
  • El término VT = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, del orden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K ó 27 ºC).

Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).

La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

Corriente máxima (Imax ).

Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.

Corriente inversa de saturación (Is ).

Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.

Corriente superficial de fugas.

Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.

Tensión de ruptura (Vr ).

Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha. Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:

Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción.

Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.

Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente.

Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores. Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos.

CUADRO DE CARACTERÍSTICAS EN LOS DIODOS DE POTENCIA

TIPO DE DIODO DE POTENCIA VD =VF

CAÍDA DE TENSIÓN

Imax  en conducción IF VRM

PIV

Io

I de fuga

MÁXIMA

Oxido de cu 0.6 10A 30V ALTA 70º
Seleneo 1V 50A 50V ALTA 150º
Germanio 0.5V 200A 800V BAJA 120º
Silicio 1V 1,000A 3,500V MUY ALTA 200º
Gas de mercurio 15 A 19V 5,000A 20,000V BAJA 400º
Galio
Arseniuro de galio

Potencia del diodo (potencia disipada)

PD= VF * IF

Ejemplo.

PIV = 800V. Cuanto soporta en polarización?

Emax =VRMS √ 2   entonces PIV = Emax

VRMS = 800/ √ 2 = 560V

Parámetros en bloqueo

  • Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.
  • Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada.
  • Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más.
  • Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo.
  • Tensión inversa continúa (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.

Parámetros en conducción

  • Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar.
  • Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquélla que puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º).
  • Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.
  • Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción.

Tiempo de recuperación inverso

El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores.

   Características dinámicas

Representan el comportamiento del semiconductor alimentado por una fuente de tensión alterna. Se representan pues las variaciones de tensión e intensidad en el semiconductor con respecto al tiempo.

 

SÍMBOLOS DE DIFERENTES TIPOS DE DIODO

Diodo rectificador Diodo Schottky Diodo Zener Diodo Zener Diodo Zener
Diodo varicap Diodo Pin Diodo túnel Diodo Led  Diodo Led
Fotodiodo Puente rectificador  Puente rectificador

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

Como todos los componentes electrónicos, los diodos poseen propiedades que les diferencia de los demás semiconductores. Los más importantes desde el punto de vista práctico.

Valores nominales de tensión:
VF = Tensión directa en los extremos del diodo en conducción. .
VR = Tensión inversa en los extremos del diodo en polarización inversa.
VRSM =  Tensión inversa de pico no repetitiva.
VRRM = Tensión inversa de pico repetitiva.
VRWM = Tensión inversa de cresta de funcionamiento.
Valores nominales de corriente:
IF = Corriente directa. .
IR = Corriente inversa.
IFAV = Valor medio de la forma de onda de la corriente durante un periodo.
IFRMS = Corriente eficaz en estado de conducción. Es la máxima corriente eficaz que el diodo es capaz de soportar.
IFSM = Corriente directa de pico (inicial) no repetitiva.
AV= Average(promedio) RMS= Root Mean Square (raíz de la media cuadrática)

Valores nominales de temperatura

Tstg = Indica los valores máximos y mínimos de la temperatura de almacenamiento.

Tj = Valor máximo de la temperatura que soporta la unión de los semiconductores.

EL DIAC

Es un componente electrónico que  conduce en  dos sentidos de sus terminales, por ello se le denomina bidireccional, siempre que se llegue a su tensión de cebado o de disparo (30v aproximadamente, dependiendo del modelo).

                   Símbolo del diac                         Estructura interna de un diac

Hasta que la tensión aplicada entre sus extremos supera la tensión de disparo VBO; la intensidad que circula por el componente es muy pequeña. Al superar dicha tensión la corriente aumenta bruscamente y disminuyendo, como consecuencia, la tensión anterior. La aplicación más conocida de este componente es el control de un triac para regular la potencia de una carga. Los encapsulados de estos dispositivos suelen ser iguales a los de los diodos de unión o de zener.

TRIAC controlado por DIAC

 

EL TIRISTOR

Es un dispositivo electrónico que tiene dos estados de funcionamiento: conducción y bloqueo. Posee tres terminales: Anodo (A), Cátodo (K) y puerta (G)

Símbolo del tiristor                 Estructura interna del tiristor

La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta, es un dispositivo unidireccional, debido a que el sentido de la corriente es único.

 

Curva Característica

La interpretación directa de la curva característica del tiristor nos dice lo siguiente: cuando la tensión entre ánodo y cátodo es cero la intensidad de ánodo también lo es. Hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VBO) el tiristor no se dispara. Cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en el ánodo (IA), disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así como un diodo polarizado directamente. Para  disparar el tiristor antes que llegar a la tensión de bloqueo es necesario aumentar la intensidad de puerta (IG1, IG2, IG3, IG4…), entonces se modifica la tensión de cebado de este. Este es el funcionamiento del tiristor cuando se polariza directamente, esto solo ocurre en el primer cuadrante de la curva. Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo. En amplificación se utiliza en las etapas de potencia en clase D cuando trabaja en conmutación. También se utilizan como relés estáticos, rectificadores controlados, inversores y onduladores, interruptores, etc.

EL TRANSISTOR

Dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña. Existe una gran variedad de transistores. En principio, se explicarán los bipolares. Los símbolos que corresponden a este tipo de transistor son los siguientes:

Transistor

 

Transistor NPN   Estructura de un      transistor NPN  

PNP

   Estructura de un      transistor PNP

1. FUNCIONAMIENTO BÁSICO

Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad por la Base del transistor por lo que la lámpara no se encenderá, ya que, toda la tensión se encuentra entre Colector y Emisor. (Figura 1).

                      Figura 1                           Figura 2

Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy pequeña circulará por la Base. Así el transistor disminuirá su resistencia entre Colector y Emisor por lo que pasará una intensidad muy grande, haciendo que se encienda la lámpara. (Figura 2).

En general: IE < IC < IB ; IE = IB + IC ; VCE = VCB + VBE

2. POLARIZACIÓN DE UN TRANSISTOR

Una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente. No es lo mismo polarizar un transistor NPN que PNP.

Polarización de un transistor NPN Polarización de un transistor PNP

3. ZONAS DE TRABAJO

CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. El transistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto.

IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat

SATURACION.- Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De esta forma,  la tensión de la batería se encuentra en la carga conectada en el Colector. ACTIVA.- Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente. Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación  trabaja en conmutación. En definitiva, como si fuera un interruptor. La ganancia de corriente es un parámetro también importante para los transistores ya que relaciona la variación que sufre la corriente de colector para una variación de la corriente de base. Los fabricantes suelen especificarlo en sus hojas de características, también aparece con la denominación hFE. Se expresa de la siguiente manera:

ß = IC / IB

EL TRANSISTOR PUT PROGRAMABLE

El transistor monounión programable (PUT) es un pequeño tiristor que aparece en la fig.a Un PUT se puede utilizar como un oscilador de relajación, tal y como se muestra en la fig.b. El voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentación mediante el divisor resistivo del voltaje R1 y R2, y determina el voltaje de punto de pico Vp. En el caso del UJT, Vp está fijo para un dispositivo por el voltaje de alimentación de cd, pero en un PUT puede variar al modificar al modificar el valor del divisor resistivo R! y R2. Si el voltaje del ánodo VA es menor que el voltaje de compuerta VG, le dispositivo se conservará en su estado inactivo, pero si el voltaje de ánodo excede al de compuerta en una caída de voltaje de diodo VD, se alcanzará el punto de pico y el dispositivo se activará. La corriente de pico Ip y la corriente del punto de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta RG = R1R2/(R1+R2) y del voltaje de alimentación en cd Vs. N general Rk está limitado a un valor por debajo de 100  O.  R y C controlan la frecuencia junto con R1 y R2. El periodo de oscilación T está dado en forma aproximada por:

T = 1/f = RC lnVs/Vs-Vp = RC ln (1+R2/R1)

Circuito de disparo para un PUT.

 

EL TRANSISTOR UNIUNIÓN  (UJT)

Es un tipo de transistor compuesto por una barra de silicio tipo N o P en cuyos extremos se tienen los terminales Base 1 (B1) y Base 2 (B2). En un punto de la barra más próximo a B2 se incrusta un material de tipo P o N dando lugar al terminal de emisor.

Símbolo de un UJT Circuito equivalente de un transistor uniunión tipo N

Cuando se polariza el transistor la barra actúa como un divisor de tensión apareciendo una VEB1 de 0,4 a 0,8v. Al conducir el valor de RB1 se reduce notablemente. Observa el circuito equivalente. Observando el circuito de polarización de la figura se advierte que al ir aumentando la tensión Vee la unión E-B1 se comporta como un diodo polarizado directamente. Si la tensión Vee es cero, con un valor determinado de Vbb, circulará una corriente entre bases que originará un potencial interno en el cátodo del diodo (Vk). Si en este caso aumentamos la tensión Vee y se superan los 0,7v en la unión E-B1 se produce un aumento de la corriente de emisor (IE) y una importante disminución de RB1, por lo tanto un aumento de VBE1. En estas condiciones se dice que el dispositivo se ha activado, pasando por la zona de resistencia negativa hacia la de conducción, alcanzando previamente la VEB1 la tensión de pico (Vp). Para desactivar el transistor hay que reducir IE, hasta que descienda por debajo de la intensidad de valle (Iv).De lo anterior se deduce que la tensión de activación Vp se alcanza antes o después dependiendo del menor o mayor valor que tengamos de tensión entre bases VBB. Circuito final, componentes y valores.

R1 = 47 W

R2 = 470 W

Rv = 10 K

C =   220 nF

T1 = 2n2646

EL TRIAC

Al igual que el tiristor tiene dos estados de funcionamiento: bloqueo y conducción. Conduce la corriente entre sus terminales principales en un sentido o en el inverso, por ello, al igual que el diac, es un dispositivo bidireccional. Conduce entre los dos ánodos (A1 y A2) cuando se aplica una señal a la puerta (G). Se puede considerar como dos tiristores en antiparalelo. Al igual que el tiristor, el paso de bloqueo al de conducción se realiza por la aplicación de un impulso de corriente en la puerta, y el paso del estado de conducción al de bloqueo por la disminución de la corriente por debajo de la intensidad de mantenimiento (IH). Está formado por 6 capas de material semiconductor como indica la figura.

Símbolo del triac Tiristores en antiparalelo Estructura interna de un triac

La aplicación de los triacs, a diferencia de los tiristores, se encuentra básicamente en corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes. Esto es debido a su bidireccionalidad. La principal utilidad de los triacs es como regulador de potencia entregada a una carga, en corriente alterna. El encapsulado del triac es idéntico al de los tiristores.

CIRCUITO PRACTICO PARA DISPARO

(RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO)

En la figura se muestra un circuito práctico de disparo de un triac utilizando un UJT. El resistor RF es un resistor variable que se modifica a medida que las condiciones de carga cambian. El transformador T1 es un transformador de aislamiento, y su propósito es aislar eléctricamente el circuito secundario y el primario, para este caso aísla el circuito de potencia C.A. del circuito de disparo.

 

TIRISTOR

Un elemento semiconductor muy utilizado para controlar la cantidad de potencia que se entrega a una carga, Analizando el símbolo:
– A = ánodo
– G = compuerta o Gate
– C = cátodo (K)

=>SCR en La corriente continúa

Normalmente el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que se activa la compuerta (GATE) con una pequeña corriente (se cierra el interruptor S), conduce y se comporta como un diodo en polarización directa. Después de ser activado el SCR,  se mantiene así. Para  que el tiristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser =  0 Voltios.

APLICACIONES DEL SCR

Algunas aplicaciones del SCR como interruptor estático,  sistema de control de fase,  cargador de baterías,  controlador de temperatura, y  sistema de luces de emergencia.

TRANSISTOR IGBT

La sigla IGBT corresponde a las iniciales de isolated gate bipolar transistor o sea transistor bipolar de puerta de salida. El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más  usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el TBJ.

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta. El IGBT de la figura es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones

SIMBOLOGIA:

GTO (Gate Turn-off Thyristor)

Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su símbolo corresponde al dibujo de la figura siguiente. GTO (Gate Turn-off Thyristor) Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente iD excede IH se usan desde 1960, pero se potencializaron al final de los años setenta. Son comunes en las unidades de control de motores, ya que eliminan componentes externos para apagar los SCR en circuitos de cc.

 

CARACTERÍSTICAS

El disparo se realiza mediante una VGK >0 El bloqueo se realiza con una VGK < 0. La ventaja del bloqueo por puerta es que no se precisan de los circuitos de bloqueo forzado que requieren los SCR. La desventaja es que la corriente de puerta tiene que ser mucho mayor por lo que el generador debe estar más dimensionado. El GTO con respecto al SCR disipa menos potencia.

 

FUNCIONAMIENTO DEL GTO

RECTIFICADORES 

Los rectificadores se encargarán de transformar una tensión alterna de entrada en una continua de salida. Se clasificar en rectificadores no controlados y rectificadores controlados. Los controlados pueden, a su vez, subdividirse en semicontrolados y totalmente controlados. Los rectificadores no controlados están construidos con diodos, y entregan a la salida un potencial fijo de corriente directa. Los totalmente controlados se emplean tiristores, que permitirán variar la corriente de salida según se elija el ángulo de conmutación. Los semicontrolados están formados por ambos (diodos y tiristores).

Existen varias configuraciones para circuitos rectificadores, siendo las más comunes las siguientes:

  • Rectificador en Puente Monofásico, no controlado, semicontrolado y controlado.
  • Rectificador Trifásico Simple, con alimentación en estrella, no controlada y controlada.
  • Rectificador Trifásico de Doble Estrella con Bobina de Absorción, controlado y no controlado.
  • Rectificador en Puente trifásico, en las mismas versiones que el Puente Monofásico.

A parte de las configuraciones listadas hay, además, montajes de rectificadores conectados en serie y dodecafásicos empleados para demandas de gran potencia de salida. El esquema de algunos de estos montajes se muestra a continuación: Montajes Simples No Controlados         (un sólo grupo conmutanteMontajes Serie No Controlados            (dos grupos conmutantes en serie) Montaje Paralelo No Controlados (dos grupos conmutantes en paralelo) En cada rectificador representado aparecen una serie de parámetros que definimos a continuación:

qNº de fases de los grupos conmutantes polifásicos simples que lo forman.

s:  Nº de grupos conmutantes que se acoplan en serie.

m: Nº de grupos conmutantes que se agrupan en paralelo.

p:  Nº total de fases de salida del rectificador.

El rango de potencia de un rectificador monofásico suele ser menor de 10 kW. Los rectificadores trifásicos pueden entregar potencias de hasta 500 Kw. a 500 V en corriente continua, o incluso más. Para aplicaciones de bajo voltaje y alta intensidad de corriente se emplea el puente trifásico con bobina de absorción. Este montaje es empleado también para obtener elevadas corriente de salida. Algunas aplicaciones de los rectificadores son:

  • Variadores de velocidad.
  • Cargadores de baterías.
  • Fuentes de tensión de corriente continúa.

 

RECTIFICADORES  NO CONTROLADOS 
Trifásico Simple

Este tipo de rectificadores emplea como semiconductor el diodo. Se denominan de este modo porque no permiten controlar la potencia de salida, es decir, para una tensión fija de entrada la tensión de salida es también fija. Rectificador trifásico simple.: Emplea tres ramas con un diodo cada una. La alimentación de las ramas es trifásica (estrella o triángulo). La salida son tres cúpulas por ciclo. Rectificador hexafásico.: Emplea 6 ramas rectificadoras simples (6 diodos), generando también una salida de 6 cúpulas. No obstante la potencia lograda a la salida será menor que para el caso del puente trifásico. Rectificador monofásico de onda completa: Emplea dos ramas rectificadores en serie (4 diodos), proporcionando en su salida dos cúpulas positivas de tensión por ciclo. Rectificador en puente trifásico.: Emplea dos rectificadores trifásico simple conectados en serie, logrando 6 cúpulas de salida, lo que disminuye el rizado.

Rectificador Trifásico Simple                                          Rectificador Hexafásico

Rectificador en Puente Monofásico-     -Rectificador en Puente Trifásico-

En el estudio de cada rectificador se procederá a un análisis genérico y a la simulación del mismo según variaciones en su configuración, bien sea en la carga, bien en la fuente de alimentación. Para simplificar el estudio y hacerlo fácilmente comprensible se considerarán los semiconductores ideales, lo cual significa que el tiempo de recuperación inversa y la caída de voltaje directo son prácticamente despreciables ( trr = 0, VD = 0 ). El modelo empleado para el diodo ya ha sido comentado varias veces.

Cabe recordar que para los rectificadores controlados el valor medio de la tensión de salida es: Para una alimentación senoidal de la forma: vs (t)= Vm sen (wt + φ) donde, según la notación que emplearemos: – Rectificadores Polifásicos Simples:            VG = Vm = VS    Rectificadores Trifásico Serie, alimentación en estrella: VG =                     VS·      2cos (π/p) = Vm

Las tensiones aquí reseñadas se refieren a:

  • Tensión Generatriz VG: Valor de pico de la tensión de salida del rectificador.
  • Tensión de Alimentación VS: Valor de pico de la tensión de la fuente de alimentación.
  • Tensión eficaz VmValor eficaz de la tensión de alimentación VS.

 

TRIFÁSICO SIMPLE

Se trata de un montaje que emplea un sólo grupo conmutante trifásico simple. Por lo tanto, los parámetros p, q, s estudiados son, para este caso: q = 3 s = 1 p = 3

A efectos de análisis éste montaje podría considerarse como tres rectificadores monofásicos de media onda, alimentado cada uno de ello por una tensión Vs, las cuales desfasan entre sí un ángulo 2p/p = 2p/3 = 120º. Para el caso que nosotros estudiaremos, las fuentes de alimentación Vs1, Vs2, Vs3 se encuentran conectadas en estrella. Entonces, para esta configuración tenemos que:

Tensión de línea:    VL =             ·VM

Corriente de línea:   IL =        IM /

Con lo dicho, si Vs1= Vm sen (vt), tendremos que:

Vs1= Vm sen (vt)

Vs2= Vm sen (vt + 2p/3)

Vs3= Vm sen (vt – 2p/3)

Por lo tanto, (ángulo cero de referencia igual a: p / 2 – p / p = p / 6 = 30º), la secuencia de conducción de los diodos es: Diodos     Periodo

D1  p/6<vt<5p/6   (Vs1> {Vs2, Vs3}>0)

 

D2  3p/2<vt<2p, 0<vt<p/6      ( Vs2>{Vs1, Vs3}>0 )

 

D3   5p/6<vt<3p/2        ( Vs3>{Vs1, Vs2}>0 )

 

Los convertidores trifásicos suministran un voltaje de salida más alto, y además la frecuencia de las componentes ondulatorias del voltaje de salida es mayor en comparación con los convertidores monofásicos. Como consecuencia, los requisitos de filtrado para suavizar la corriente y el voltaje de carga son más sencillos. Por esta razón los rectificadores trifásicos se emplean para la consecución de potencias de salida elevada, superior a 15 Kw., por ejemplo, en propulsores de velocidad variable de alta potencia. Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale: RECTIFICADOR EXAFÁSICO   Puente  Monofásico

Se trata de un montaje que emplea un sólo grupo conmutante hexafásico simple. Por lo tanto, los parámetros p,q,s estudiados son, para este caso: q = 6  s = 1  p = 6

A efectos de análisis éste montaje podría considerarse como seis rectificadores monofásicos de media onda, alimentado cada uno de ello por una tensión Vs(n), las cuales desfasan entre sí un ángulo 2p/p = 2p/6 = 60º Con lo dicho, si Vs1= Vm sen (vt), tendremos que:

Vs1 = Vm sen (vt)

Vs2 = Vm sen (vt + p/3)

Vs3 = Vm sen (vt – 2p/3)

Vs4 = Vm sen (vt – p)

Vs5 = Vm sen (vt – 4p/3)

Vs6 = Vm sen (vt – 5p/3)

Por lo tanto, la secuencia de conducción de los diodos es: Diodos   Periodo

D1   p/3<vt<2p/3

 

D2   0<vt<p/3

 

D3    5p/3<vt<0

 

D4   4p/3<vt<5p/3

 

D5   p<vt<4p/3

 

D6   2p/3<vt<p

 

Aunque este montaje proporciona en su salida una tensión con seis cúpulas por periodo, del mismo modo que el puente trifásico, el valor de pico de dicha tensión es menor debido a que la carga se encuentra conectada a masa. Es decir, la tensión que llega a la carga es la tensión de fase, no la tensión de línea a línea. Por lo tanto este montaje proporcionará una potencia menor que el rectificador en puente monofásico, con alimentación en estrella. Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale: PUENTE  MONOFÁSICO  Puente Trifásico. Se trata de un montaje que emplea dos grupos conmutantes bifásicos simples, conectados en serie. Por lo tanto, los parámetros p,q,s estudiados son, para este caso:

q = 2 s = 2  p = 2

Obsérvese que en este caso en particular, el tener dos ramas en serie (s = 2), no multiplica por dos el número de fases de salida (p = 2). Esto se debe a que ambos grupos conmutantes están alimentados por la misma fuente de tensión (Vs). En este montaje cada mitad del transformador actúa como si fuera un rectificador de media onda. Así, la secuencia de conducción de los diodos es: Diodos  Periodo

D1, D4   0<vt<p     ( Vs > 0 )

D2, D3   p<vt<2p     ( Vs < 0 )

Para un montaje con carga puramente resistiva la corriente de carga tiene una forma idéntica al voltaje de salida. En la práctica la mayor parte de las cargas son en cierta cantidad inductivas. Así pues, la corriente de carga dependerá de los valores de la resistencia de carga, R, y de la inductancia de carga, L. Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale: En el apartado de simulación se realizarán dos montajes con diferentes variaciones:

    – Carga resistiva

    – Carga resistiva e inductancia en la fuente de alimentación.

 PUENTE   TRIFÁSICO

Se trata de un montaje que emplea dos grupos conmutantes trifásico simple conectados en serie. Por lo tanto, los parámetros p, q, s estudiados son, para este caso:

q = 3  s = 2  p = 6

Si las fuentes de alimentación Vs1, Vs2, Vs3 se conectan entrella, el voltaje de línea es raíz de 3 veces el voltaje de fase. El ángulo de desfase entre las tensiones de fuente será para este caso 2p/ 6 = 60º.

Si  Vs = Vm sen (vt + f)

Vs1: f = 0º

Vs2: f = 60º

Vs3: f = 120º

Vs4: f = 180º

Vs5: f = 240º

Vs6: f = 300º

  Según estos ángulos quedará que:

   Vs1 = – Vs4       Vs2 = – Vs5       Vs3 = – Vs6   

En consecuencia, este montaje puede representarse como se muestra a continuación. Con lo dicho, si Vs1= Vm sen (vt), tendremos que:

 

Vs1= Vm sen (vt + 0)

Vs2= Vm sen (vt + 2p/3)

Vs3= Vm sen (vt – 2p/3)

La secuencia de conducción de los diodos para este caso en particular es: Diodo Periodo

D1  p/6<vt<5p/6  Vs1> Vs2
Vs1> Vs3

 

D2                        3p/6<vt<7p/6  Vs2< Vs1
Vs2< Vs3

 

D3                         7p/6<vt<11p/6       Vs1< Vs2
Vs1< Vs3

 

D4                         5p/6<vt<3p/2 Vs3> Vs1
Vs3> Vs2

 

D5                        3p/2<vt<2p
0<
vt<p/6            Vs2> Vs1
Vs2> Vs3

 

D6                        11p/6<vt<2p
0<
vt<p/2            Vs3< Vs1
Vs3< Vs2

 

Con este tipo de montaje se logran tensiones de salida mayores que las de los montajes anteriormente estudiados, reduciéndose del mismo modo la tensión de rizado, con lo que la fase de filtrado será más sencilla. Se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales, hasta el nivel de 220 kW. Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale: RECTIFICADORES  SEMICONTROLADOS  Puente Monofásico

Los Rectificadores Semicontrolados son un tipo de convertidor de un sólo cuadrante y tiene una misma polaridad de voltaje y de corriente de salida. Emplean en sus configuraciones ramas rectificadoras con, cada una de ellas, un diodo y un tiristor. Estos convertidores no necesitarán, por lo tanto, de doble encendido en los tiristores, como ocurre en los rectificadores controlados, dando una característica de salida con más ondulación que sus equivalentes montajes a tiristores. -Semiconvertidor en Puente Monofásico- -Semiconvertidor en Puente Trifásico-

Con los Convertidores Semicontrolados conseguiremos mayores potencias que las obtenidas para los Convertidores Controlados empleando el mismo ángulo de disparo a, sin embargo él rendimiento de éstos últimos será mayor. Lo corroboraremos en el apartado de ejercicios.

SEMICONVERTIDOR    MONOFÁSICO

Funcionamiento. La disposición del circuito de un semiconvertidor monofásico aparece en la figura 1. Colocamos una carga altamente inductiva; la corriente de carga se supone continua y libre de componentes ondulatorias. Durante el medio ciclo posistivo, el tiristor T1 tiene polarización directa. Cuando éste se dispara en vt = a, la carga se conecta a la alimentación a través de T1-D2 durante el periodo a [ vt [ p. Durante el periodo p [ vt [ ( p + a ), el voltaje de entrada es negativo y el diodo de marcha libre Dm tiene polarización directa. Este diodo conduce para proporcionar la continuidad de corriente de la carga inductiva. La corriente de carga se transfiere de T1-D2 a Dm, pasando T1 y D2 al estado de desactivación. Durante el medio ciclo negativo del voltaje de entrada el tiristor T2 queda con polarización directa, entrando en conducción en el instante vt = p + a , hasta vt =2p invirtiéndose entonces la polarización del diodo Dm y desactivándolo. La carga se conecta ahora a la alimentación a través de T2-D1.

Figura 1.

El voltaje promedio de salida se puede calcular a partir de: pudiéndose variar Vdo a desde 2·Vm / p hasta 0, simplemente con variar a entre 0 y p. La tensión media máxima de salida Vdo (sería para a = 0 ) y el voltaje de salida medio normalizado Vn tendrán por ecuaciones: Vdo = 2·Vm/p

La tensión eficaz de salida ( o voltaje rms ) se determina a partir de: La secuencia de conducción de este montaje será: Diodos  Periodo

T1, D2  a < vt < p   ( Vs > 0 )

T2, D1   p+a < vt < 2p      ( Vs < 0 )    

Este tipo de convertidor presentará un mejor factor de potencia debido a la operación del diodo de marcha libre y es de uso común en aplicaciones de hasta 15 kW., donde la operación en un sólo cuadrante es todavía aceptable

SEMICONVERTIDOR    TRIFÁSICO   Controlados

Los semiconvertidores trifásicos se utilizan en aplicaciones industriales hasta el nivel de 120 kW., en los que se requiere una operación en un cuadrante. Conforme aumenta el ángulo de retraso se reduce el factor de potencia de este convertidor, aunque es mejor que el de los convertidores trifásicos de media onda. En la figura 1 se muestra un semiconvertidor trifásico . Colocamos una carga altamente inductiva; la corriente de carga se supone continua y libre de componentes ondulatorias. La frecuencia del voltaje de salida para este montaje es 3·fs. El ángulo de retraso a se puede variar desde 0 hasta p.

Durante el periodo ( p / 6 ) [ vt [( 7p / 6 ), el tiristor T1 tiene polarización directa o positiva. Cuando éste se dispara en vt =( p / 6 + a ), hasta vt =( 7p / 6 ), T1 y D1 conducen y el voltaje de línea vca aparecerá a través de la carga. En vt =( p / 6 ), el voltaje vca es negativo y el diodo de marcha libre Dm tiene polarización directa, entrando en conducción. La corriente de carga circula ahora a través de Dm, pasando T1 y D1 al estado de desactivación. Si no existe un diodo de marcha libre, T1 continua conduciendo hasta que el tiristor T2 se dispara en vt =( 5p / 6 + a ), hasta vt =( 11p / 6 ), circulando entonces la corriente de carga por T2 – D2. Si a[p/3, cada tiristor conducirá durante un periodo de 2p / 3, no conduciendo Dm.

Figura 1.

Definiendo el voltaje de fase como:

vs1 = Vm sen vt

           vs2 = Vm sen (vt- 2p/3)

           vs3 = Vm sen (vt+ 2p/3)

Voltajes tenemos que los de línea serán:

vs1-s3 = vs1-vs3 =         Vm sen (vt- p/6)

vs2-s1 = vs2-vs1 =         Vm sen (vt- 5p/6)

vs3-s2 = vs3-vs2 =         Vm sen (vt+ p/2)

vs1-s2 = vs1-vs2 =         Vm sen (vt+p/6)

donde Vm es el voltaje de pico de fase de una alimentación conectada en estrella. Para a / p/3  y un voltaje discontinuo de salida, el voltaje promedio de salida se determina a partir de: La tensión media máxima de salida Vdo ( sería para a = 0 ) y el voltaje de salida medio normalizado tendrán por ecuaciones:

Vdo = 3        ·Vm/p

 

La tensión eficaz de salida ( o voltaje rms ) se determina a partir de: Para a [ p/3  y un voltaje de salida continuo: La tensión eficaz de salida ( o voltaje rms ) se determina a partir de: La secuencia de conducción de este montaje será: Diodos  Periodo

 

T1, D1     p/6+a < vt < 7p/6

 

T2, D2     5p/6+a < vt < 11p/6

 

T3, D3     9p/6+a < vt < 12p/6
0 <
vt < 3p/6

RECTIFICADORES  CONTROLADOS   Monofásico Simple

Ya hemos visto que los diodos rectificadores sólo suministran un voltaje de salida fijo. Para obtener voltajes de salida controlados se utilizan tiristores de control de fase en vez de diodos. Es posible modificar el voltaje de salida de los rectificadores tiristores controlando el retraso o ángulo de disparo de los mismos. Un tiristor de control de fase se activa aplicandole un pulso corto a su puerta y se desactiva debido a la conmutación natural o de línea; en el caso de una carga altamente inductiva se desactiva mediante el disparo de otro tiristor del rectificador durante el medio ciclo negativo del voltaje de entrada. Estos rectificadores controlados por fase son sencillos y menos costosos y, en general, su eficiencia es superior al 95%. Dado que estos rectificadores controlados convierten ca en cd, se conocen también como convertidores ca-cd, y se utilizan de forma extensa en aplicaciones industriales, especialmente en propulsores de velocidad variable, con potencias desde fraccionarias hasta niveles de mega wats. Los convertidores de control de fase se pueden clasificar en dos tipos, dependiendo de la fuente de alimentación:

Convertidores monofásicos.
Convertidores trifásicos.

Cada uno de estos tipos se puede subdividir además en:
Semiconvertidor: Es un convertidor de un sólo cuadrante y tiene una misma polaridad de voltaje y de corriente de salida.
Convertidor completo: Es un convertidor de dos cuadrante. La polaridad de su voltaje puede ser positiva o negativa. Sin embargo, la corriente de salida del sólo tiene una polaridad.
Convertidor dual: Puede operar en cuatro cuadrante y tanto su voltaje como su corriente pueden ser positivos o negativos. Para analizar el rendimiento de los rectificadores controlados por fase con carga RL se puede aplicar el método se las series de Fourier, similar al de los rectificadores con diodos. Sin embargo, a fin de simplificar el análisis, se puede suponer que la inductancia de la carga es lo suficientemente alta como para que la corriente de carga se considere continua y tenga una componente ondulatoria despreciable. Los dos modos de funcionamiento en que pueden operar estos montajes son: Conducción Continua (a funcionamiento regular) y Conducción Discontinúa. Puede revisar este concepto y el modo de calcular el Voltaje medio de salida en el apartado Tensiones de Salida.

Procederemos al estudio de los montajes siguientes:

  • Rectificador monofásico de media onda.
  • Rectificador en puente monofásico.
  • Rectificador trifásico puente.

Se trata de un circuito que emplea un sólo tiristor (T1), estaríamos hablando, pues, de una sóla rama conmutante. Suponiendo que la fuente Vs es de corriente alterna sinusoidal de la forma: Vs=E·sen(vt)

Vs será positivo para 0<vt<p, y negativo para p<vt<2p. Cuando Vs comienza a ser positiva, el tiristor está polarizado directamente, pero permance bloqueado hasta que sea activado y se mantiene en este estado hasta que vt alcanza p radianes.

   Si el tiristor se activa, por medio de Vp, para un ángulo a = vt, este ángulo a recibe el nombre de ángulo de disparo.

Al producirse esta activación dentro del estado de polarización directa, el tiristor comienza a conducir, y el voltaje de Vs lo mantiene así hasta que vt alcanza p radianes. En ese instante la tensión de alimentación se hace negativa, haciendo que el tiristor pase al estado de bloqueo. Si la carga conectada es altamente inductiva, en el instante vt = p la corriente en el circuito no se hace cero puesto que queda energía almacenada en la inductancia. Está energía hará que el tiristor se encuentre en conducción más allá de vt = p, hasta que dicha energía se hace cero. Es entonces cuando la corriente circula en sentido inverso, bloqueando al tiristor, apareciendo ahora toda la tensión de la fuente en sus extremos. Cuando se trata de una carga puramente resistiva, el ángulo de disparo quedará limitado a 180º. Más allá de este valor, la salida será nula. En el apartado de simulación se realizarán dos montajes con diferentes variaciones:

    – Carga resistiva vs carga inductiva           – Carga resistiva, diferentes valores de a

PUENTE MONOFÁSICO

Puente Trifásico

Funcionamiento. Se trata de un montaje que emplea dos grupos conmutantes bifásicos simples, conectados en serie. Por lo tanto, los parámetros p, q, s estudiados son, para este caso:

q=2 s=2  p=2

a1=p/2 – p/p=0º a 2=p/2 + p/p=180º

Obsérvese que en este caso en particular, el tener dos ramas en serie (s = 2), no multiplica por dos el número de fases de salida ( p = 2 ). Esto se debe a que ambos grupos conmutantes están alimentados por la misma fuente de tensión (Vs). En este montaje cada mitad del transformador actúa como si fuera un rectificador de media onda. Así, la secuencia de conducción de los diodos es:

Diodos  Periodo

D1, D4   0+a<vt<p     ( Vs > 0 )

D2, D3   p+a<vt<2p     ( Vs < 0 )

Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida para cierto a vale: y variando a desde 0 hasta p se puede variar  vdoa desde 2Vm/p hasta -2Vm/p. El voltaje promedio de salida máximo (aquel para a = 0) vdo es y el voltaje promedio de salida normalizado vn son: El valor eficaz rms del voltaje de salida valdrá:

PUENTE TRIFÁSICO

Convertidor Dual

Funcionamiento

Se trata de un montaje que emplea dos grupos conmutantes trifásico simple conectados en serie. Por lo tanto, los parámetros p,q,s estudiados son, para este caso:

q=3  s=2  p=6

                                               a1=p/2 – p/p=60º a2=p/2 + p/p=120º

   Si las fuentes de alimentación Vs1, Vs2, Vs3 se conectan entrella, el voltaje de línea es raíz de 3 veces el voltaje de fase. Definiendo los voltaje de fase como:

vs1 = Vm sen vt

           vs2 = Vm sen (vt- 2p/3)

           vs3 = Vm sen (vt+ 2p/3)

tenemos que los voltajes de línea serán:

vs1-s2 = vs1-vs2 =         Vm sen (vt+p/6)

 

vs2-s3 = vs2-vs3 =         Vm sen (vt- p/2)

 

vs3-s1 = vs3-vs1 =         Vm sen (vt+ p/2)

 

El esquema de este montaje sería: Con esta configuración cabe hacer unas anotaciones sobre los ángulos de disparo de los tiristores. Según las ecuaciones los valores de a1 y a2 son, respectivamente, 60º y 120º, lo cual significa conducción continua desde 0º a 60º y conducción discontinua de 60º a 120º.

Sin embargo, a la hora de asignar los valores a los tiristores de nuestros montajes, tomando siempre como referencia T1, la conducción continua comienza en a = 30º. Esto se debe a que, como ya hemos dicho anteriormente, este valor de referencia 0º es el instante de conmutación natural de los tiristores. En cambio, para nuestros simulaciones este instante ha de ser calculado como p /2 – p / q = 30º, que es primer valor de a para conducción. Consecuentemente, y atendiendo al desfase entre las fuentes de alimentación Vs2 y Vs3 con respecto a Vs1 ( f2= – 120º, f3= 120º), el resto de los tiristores llevarán un a:

a(T1)

a(T3) = a(T1) + 120º

a(T5) = a(T1) + 240º

a(T2) = a(T1) + 180º 

a(T4) = a(T3) + 180º 

a(T6) = a(T5) + 180º 

Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida para cierto a vale: o lo que es lo mismo, El voltaje promedio de salida máximo (aquel para a = 0) vdo es y el voltaje promedio de salida normalizado vn son: El valor eficaz rms del voltaje de salida valdrá: RECTIFICADORES   DUALES

Puente Trifásico

Los convertidores controlados en puente, con carga inductiva, sólo permiten la operación en dos cuadrantes. Así pues, si se conectan dos de estos convertidores completos espalda con espalda, se pueden invertir tanto el voltaje de carga como la corriente de carga. El sistema permitirá la operación en cuatro cuadrantes, denominándose Convertidor Dual.

-Convertidor Trifásico Dual-

   Los Convertidores Duales son de uso común en propulsores de velocidad variable de alta potencia, pues permiten una inversión suave en el paso de una operación de un cuadrante a otro.

  • Convertidor Dual en Puente Trifásico

Funcionamiento

En muchos propulsores de velocidad variable se requieren normalmente de una operación en los cuatro cuadrantes, y en aplicaciones hasta el nivel de los 2000 kW. se utilizan de forma extensa Convertidores Trifásicos Duales. En la figura se muestra un convertidor trifásico dual en el que dos convertidores trifásicos están conectados espalda con espalda. Debido a diferencias instantáneas de voltaje entre los voltajes de salida de los convertidores, fluye una corriente circulantea través de los convertidores. La corriente circulante está por lo general limitada por la reactancia circulante Lr, tal y como se muestra en la figura. Los dos convertidores están controlados de tal modo que si a1 es el ángulo de retraso del convertidor 1, el ángulo de retraso del convertidor 2 es a2 = p – a1.

La operación de cada convertidor es idéntica a la de un convertidor trifásico completo. Durante el intervalo ( p / 6 + a1) [ vt [ ( p / 2 + a1 ), el voltaje línea a línea vab, aparece a través de la salida del convertidor 1, y vbc aparece a través del convertidor 2.

Figura 1. Definiendo los voltaje de fase como:

vs1 = Vm sen vt

           vs2 = Vm sen (vt- 2p/3)

           vs3 = Vm sen (vt+ 2p/3)

tenemos que los voltajes de línea serán:

vs1-s2 = vs1-vs2 =          Vm sen (vt+p/6)

 

vs2-s3 = vs2-vs3 =          Vm sen (vt- p/2)

 

vs3-s1 = vs3-vs1 =          Vm sen (vt+ 5p/6)

 

donde Vm es el voltaje de pico de fase de una alimentación conectada en estrella. Si vo1 y vo2 son los voltajes de salida de los convertidores 1 y 2 respectivamente, el voltaje instantáneo a través del inductor durante el intervalo (p/6+a1) < vt < (p/2+a1) será:

 vr=vo1+vo2=vs1-s2 – vs2-s3       Vm [sen (vt+p/6)-sen (vt- p/2)] 

 

con lo que finalmente queda que

 vr =        3·Vm cos (vt-p/6) 

 

La corriente circulante se puede determinar a partir de La corriente máxima depende del ángulo de retraso a1 y de la inductancia Lr. Esta corriente se hace máxima cuando vt = 2p/3 y a1 = 0.

Aún en ausencia de cualquier carga externa, los convertidores estarían activados contínuamente debido a la corriente circulante como resultado de un voltaje de componente ondulatoria a través del inductor. Esto permite una inversión suave de la corriente de carga durante el paso de una operación en un cuadrante a otro, proporcionando respuestas dinámicas rápidas, especialmente en el caso de propulsiones de motores eléctricos.

CONVERTIDORES CA/CA

Es un tipo de Convertidor que, a partir de una tensión de entrada alterna, produce en la salida una tensión también alterna pero de Características distintas, sea en valor eficaz, sea en frecuencia, o en ambas. Cuando únicamente se altera el valor de la tensión alterna (CA), tenemos los llamados reguladores de tensión alterna (o reguladores de potencia alterna) y los que permiten obtener una salida con frecuencia distinta a la presente en la entrada, son los cicloconvertidores. Los reguladores de tensión alterna son convertidores estáticos de energía que permiten variar la potencia entregada a una determinada carga. En general, se controla la potencia mediante el control del valor eficaz de la tensión suministrada a la carga. De ahí el nombre de reguladores  o controladores de tensión alterna

Las aplicaciones más comunes de éste tipo de reguladores son:

  • Calentamiento industrial (control de temperatura);
  • Control de intensidad luminosa en lámparas incandescentes;
  • Accionamiento de motores de CA;
  • Arranque suave de motores de inducción;
  • Compensación de energía reactiva
  • Control de transformadores

Los dispositivos semiconductores de potencia empleados en tales convertidores son, típicamente, tiristores, trabajando en conmutación natural. En aplicaciones de baja potencia se puede hacer uso de TRIACs, en cuanto que para potencias más elevadas se utilizan 2 SCRs en antiparalelo como se muestra en la figura  6.1 Si bien existen diversos modos de control para los reguladores de corriente alterna, los más utilizados son:

  • Control; de paso por cero o por secuencia.
  • Control por ángulo de fase.
  • Control por amplitud.

Control; ON-OFF; de paso por cero o por secuencia

El circuito de potencia es el que se muestra en la fg. 6.1  por secuencia consiste en conectar o desconectar la alimentación de la carga (en general una resistencia) durante un Determinado número de ciclos de la tensión de entrada al regulador. De hecho, la regulación se consigue anulando la tensión en la carga durante ciertos periodos de la tensión de alimentación. El intervalo de conducción y el de bloqueo del interruptor es típicamente de varios ciclos de la red. Este tipo de control se utiliza en aplicaciones que tienen una gran inercia mecánica o una elevada constante de tiempo térmica, es decir, se utiliza en situaciones en que la constante de tiempo de la carga es mucho mayor que el período de la red CA, (por ejemplo, en el calentamiento industrial o en el control de velocidad de grandes motores).

Dado que se suelen utilizar tiristores como elementos de control, su disparo se realiza en el paso por cero de la tensión de alimentación. Ello permite una reducción importante en el número de armónicos generados. El control electrónico lleva incorporado un detector de paso por cero y un contador de semiperíodos para saber en qué instante se debe disparar cada tiristor.

Un método para conseguir el control por secuencia

es usar un generador de señal triangular de frecuencia fija que se compara con una señal continua de control. La señal diente de sierra establece la base de tiempo del sistema. La señal de referencia proviene del circuito de control de la variable a controlar (por ejemplo del circuito de control de la temperatura). La potencia entregada a la carga varia proporcionalmente a esta señal. Durante ciclos la carga permanece conectada a la alimentación, en tanto queda; ciclos permanece desconectada.

Para una tensión de entrada senoidal, considerando que se conecta la carga durante n ciclos de la tensión de entrada y se desconecta m ciclos, la tensión eficaz de salida puede obtenerse como:

La figura de abajo se muestra una simulación de un control ;ON-OFF;, en el que se conecta la tensión de red a la carga durante 3 (n) periodos completos y se desconecta durante 2 (m). La gráfica inferior representa los pulsos que se dan a los SCRs. Las otras dos gráficas muestran la tensión de entrada y la tensión de salida del convertidor.

Para una tensión de entrada senoidal, del tipo  considerando que el disparo de los tiristores es idéntico y de valor A;, el valor eficaz de la tensión de salida se puede calcular como:

Uno de los inconvenientes del método descrito es la presencia de oscilaciones de baja frecuencia en la carga que se está alimentando. Por ejemplo, en el caso de que la carga sea un motor, se pueden provocar vibraciones mecánicas. En el caso de que la carga sea una lámpara, pueden aparecer oscilaciones de baja frecuencia, apreciables por el ojo humano, nada deseables. Para solucionar estos inconvenientes, se suele utilizar otro método, denominado control del ángulo de fase, tal y como se describe en el siguiente apartado.

 Control por Ángulo de Fase

Uno de los métodos más comunes para variar el valor eficaz de una tensión alterna es por medio del llamado control por ángulo de fase, en el cual, dado un semiciclo de la red, el interruptor se acciona o dispara en un determinado ángulo, haciendo que la carga esté conectada a la entrada por un intervalo de tiempo menor o igual a un semiciclo. Dicho de otro modo, el control por ángulo de fase, como su propio nombre indica, está basado en la regulación del ángulo de disparo de los tiristores. Usualmente se habla de ángulo de disparo, o ángulo de fase Alfa;, como el instante de tiempo (expresado en grados) a partir del paso por cero de la tensión de entrada en el que se dispara un tiristor. Para el caso de una carga resistiva, el ángulo de disparo puede valer entre 0º y 180º. Los valores de tensión, corriente y potencia en la carga dependerán, no solo del ángulo de disparo, como también del tipo de carga alimentada, como se verá a continuación.

Carga Resistiva ELECTRÓNICA DE POTENCIA

La figura siguiente muestra el circuito y las formas de onda de un regulador detensión CA con control por ángulo de fase y carga resistiva. La abertura del SCR se dará en el momento en que la corriente cae por debajo de la corriente de mantenimiento del componente. Lógicamente las formas de onda de tensión y corriente en la carga son las mismas, si bien con distintas escalas. Para una tensión de entrada senoidal, del tipo, ( ) t sen V 2 v rms i s ω = , considerando que el disparo  de los tiristores es idéntico y de valor α, el valor eficaz de la tensión de salida se puede calcular como En función del ángulo de disparo α, la tensión eficaz de salida puede variarse desde 0 ( π α= ) hasta el valor máximo de la tensión de entrada ( 0 = α ), siempre y cuando la carga sea puramente resistiva.

Nótese que la potencia transferida a la carga se puede controlar regulando la tensión de salida, tal y como muestra la siguiente expresión: La figura 6.4 muestra la variación de la tensión eficaz de salida como función del ángulo de disparo, suponiendo conducción simétrica de ambos interruptores (SCR).

Convertidores CA/CA directos

Figura 6.4. Tensión de salida (carga resistiva) normalizada en relación al valor eficaz de la tensión de entrada

Carga inductiva

En el caso de que la carga sea inductiva, el ángulo de control queda limitado por el argumento de la impedancia de carga. Suponiendo una carga genérica tipo RL (resistiva-inductiva) se tiene: con lo que el ángulo de disparo para poder regular la potencia de la carga puede variar entre: En el caso de una carga puramente inductiva, el ángulo de disparo puede valer entre 90º y 180º para poder regular la tensión. La figura 6.5 muestra la topología y las formas de onda típicas en un regulador de alterna con control por ángulo de fase y con una carga puramente inductiva. Esta configuración es típica de una reactancia controlada por tiristores.

Observe ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Que el aumento del ángulo de disparo implica una reducción del valor eficaz de la corriente. Este efecto puede ser interpretado como un aumento de la inductancia vista por la red, considerando apenas la componente fundamental de la corriente, la cual está siempre 90º retrasada de la tensión. O sea, se consigue una inductancia (reactancia) variable con el ángulo de disparo. Si el disparo ocurre para un ángulo inferior a 90º, la corriente por el interruptor S1 no se habrá anulado cuando ocurra el pulso para S2, de modo que S2 no podrá entrar en conducción. Después de algunos instantes la corriente llegará a cero, desactivando S1, lo cual, al recibir el nuevo pulso de disparo, entrará nuevamente en conducción. De esta forma, en lugar de tener una corriente CA sobre la inductancia, tendremos una corriente unidireccional. La figura 6.4 ilustra este comportamiento

Convertidores CA/CA directos

Una alternativa para garantizar una corriente bidireccional es, en vez de enviar apenas un pulso de disparo, mantener la señal de control hasta el final de cada semiciclo. Esto hace que el regulador de tensión se comporte como un cortocircuito, manteniendo una corriente CA, pero sin regulación de potencia.

Carga RL ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Cuando la carga alimentada tiene una característica resistivo-inductiva existe una limitación en términos del mínimo ángulo de conducción, lo cual depende de la impedancia de la carga, 6. La figura 6.6 muestra el circuito y las formas de onda típicas de un regulador de alterna con carga resitivo-inductiva y control por ángulo de fase.. Considerando una situación de conducción discontinua (en la cual la corriente por cada uno de los tiristores alcanza el valor cero dentro de un semiciclo), tenemos que en t1 el tiristor S1, que esta directamente polarizado, es disparado. La corriente crece y, aunque se invierta la polaridad de la tensión de entrada, el SCR continua conduciendo, hasta que su corriente caiga por debajo del valor de mantenimiento (en t2). El otro tiristor, S2, recibe el pulso de control en t3, iniciando el semiciclo negativo de la corriente, la cual se extingue en t4.

Convertidores CA/CA directos

-Figura 6.6. Regulador de tensión CA monofásico y carga RL con control por ángulo de fase. El intervalo controlable del regulador es para ángulos de disparo en el intervalo θ . α . π. Para ángulos de fase menores de θ se obtiene una corriente unidireccional (para el caso en el que el pulso de disparo sea de corta duración), o conducción constante (para el caso en el que el pulso de puerta sea largo).

6.2.3. Control por amplitud

Este método de control modifica la amplitud de la tensión aplicada a la carga utilizando un transformador con una relación variable de espiras en el secundario. La conexión del secundario del transformador a la carga se realiza mediante interruptores de potencia, típicamente tiristores. Cada SCR accede a un punto diferente del secundario, con lo que se varía la tensión aplicada a la carga. La figura 6.7 muestra un esquema simplificado.

Convertidores CA/CA directos

Recuerde que la relación de tensión en un transformador es directamente proporcional al número de espiras (idealmente). Para el regulador de la figura 6.7, si los 2 tiristores superiores están conduciendo, se tendrá una tensión de salida: En el caso de que los tiristores inferiores estén conduciendo, la tensión de salida será inferior al caso anterior y vendrá dada por la siguiente expresión:

A modo de ejemplo, si en la figura 6.8 suponemos que N1 = N2 = N3 = N, y se realiza un control por amplitud con la siguiente secuencia: primero se dispara T3, luego T1, después T4 y finalmente T2, se obtiene en la salida la forma de onda que se muestra en la figura 6.8. Figura 6.8. Formas de onda de un regulador de tensión controlado por amplitud.

Convertidores CA/CA directos

Observando dicha figura (Fig. 6.8), cuando se dispara T1 la amplitud en la salida se duplica, puesto que el número de espiras que hay que tener en cuenta es N2 + N3 = 2N. Cuando conduce T3, el número de espiras en el primario es igual al número de espiras en el secundario, con lo cual la amplitud de salida es igual a la de entrada. Lo mismo se puede deducir para el semiciclo negativo, donde los SCR que conducen son T2 y T4. En éste caso, cuando conduce T4 la amplitud de salida es el doble de la de entrada y cuando conduce T2 las amplitudes de entrada y salida son iguales.

Obsérvese

Que de este modo, se modifica la tensión de salida del convertidor. Como mayor inconveniente de este tipo de sistemas es que la variación de tensión se realiza a escalones, con lo que si se desea una regulación fina de tensión es necesario un número muy elevado de secundarios y de interruptores de potencia, algo inviable económicamente.

6.3 Bibliografía

– Power Electronics. Converters, Applications, and Design (2ª edición). N. Mohan, T. M.

Undeland, W. P. Robbins, Editorial: John Wiley & Sons, 1995.

– “Eletrónica de Potência”, J. A. Pomilio, Universidade Estadual de Campinas, SP – Brasil.

– Electrónica de Potencia – Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones. Muhammad H. Rashid,

Prentice Hall Hispanoamericana, S.A., 1993.

Convertidores CA/CA directos

1 α 2 π [rad]

Tensión de salida la Figura 6.4. Tensión de salida (carga resistiva) normalizada en relación al valor eficaz de la tensión de entrada

Carga inductiva ELECTRÓNICA DE POTENCIA

En el caso de que la carga sea inductiva, el ángulo de control queda limitado por el argumento de la impedancia de carga. Suponiendo una carga genérica tipo RL (resistiva-inductiva) se tiene: LOS CONVERSORES CA/CA SE PUEDEN APLICAR EN: Control electrónico de motores de alterna, compensadores estáticos de reactiva, control de hornos de resistencias


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