domingo, 3 de febrero de 2019
Convertidor AC-DC Trifásico
Convertidor AC-DC Trifásico
Es un dispositivo electrónico
capaz de convertir una corriente alterna de entrada en una corriente continua
de salida, mediante dispositivos semiconductores capaces de manejar grandes
potencias como diodos, tiristores, válvulas de mercurio (usados hace más de 100
años), entre otros. El rectificador trifásico cumple con la misma función que
un rectificador monofásico, con la diferencia que estos rectificadores son
alimentados por fuentes trifásicas, por lo que son más eficientes y pueden
manejar grandes potencias, ya que en su salida presentan menor rizado de la
señal. Son utilizados principalmente en la industria para producir voltajes y
corrientes continuas que generalmente impulsan cargas de gran potencia, como
motores DC. A pesar de que estos rectificadores presentan menos rizo que un
rectificador convencional, en muchas aplicaciones el factor de potencia y la
distorsión armónica total de la línea se ven afectados, es por ello que se
requiere el uso de filtros de armónicos.
Rectificador trifásico no controlado: Este tipo de rectificadores emplea
como semiconductor el diodo. Se denominan de este modo porque no se puede
controlar la potencia de salida, es decir, para una tensión fija de entrada la
tensión de salida es también fija. En un circuito rectificador trifásico no
controlado de 6 pulsos, los diodos se enumeran en el orden de las secuencias de
conducción y cada uno conduce 120°. La secuencia de conducción para los diodos
son D1-D2, D2-D3, D3-D4, D4-D5, D5-D6 y D6-D1.
Rectificador trifásico controlado: Este tipo de rectificador permite
variar el voltaje promedio de salida, empleando para su funcionamiento
tiristores de potencia con los cuales se puede variar el ángulo de disparo y
por ende la potencia entregada a la carga. Los tiristores se disparan a un
intervalo de π/3. La frecuencia del rizo de voltaje en la salida es seis veces
la frecuencia de la fuente de entrada (6fs), y el filtrado resulta menos
complejo en comparación con el de los convertidores de media onda ya que este
presenta menos rizo en el voltaje de salida.
Rectificador trifásico de doce pulsos: Un puente trifásico produce un
voltaje de salida de seis pulsos. Para aplicaciones con grandes potencias, como
por ejemplo transmisión de CC de alto voltaje (HVDC), y para impulsores de CC
para motores, se requiere en general una salida de doce pulsos para reducir los
rizos en la salida, y para aumentar las frecuencias de los mismos. Se pueden
combinar dos puentes de seis pulsos, sea en serie o en paralelo, para producir
una salida con 12 pulsos efectivos. Para el circuito del convertidor se puede
obtener un desplazamiento de fase de 30° entre los devanados secundarios,
conectando un secundario en estrella (Y) y el otro en delta (Δ).
Convertidor AC-DC Bifásico
Se trata de uno de los circuitos que permite una
rectificacion de onda completa se conoce por rectificador bifásico de onda
completa. Se caracteriza porque requiere un transformador con toma media en el
segundario, con lo cual se obienen dos tensiones en defase, o sea, desfasadas
180° entre sí. Con respecto al punto medio del segundario (0), cuando en un
terminal aparece el semiciclo positivo en el otro se encuentra el negativo, y
viceversa. Se muestra tambien la diferencia de potencial que se obtiene entre
las dos fases en dos instantes de la onda. Así, el funcionamiento básico del
circuito rectificador se deduce muy facilmente. Como las tensiones que reciben
los diodos van en contrafase, se produce una conduccion alternada de los
diodos. Cada vez que aparece el semiciclo positivo en una de las fases, conduce
el diodo correspondiente. Por ejemplo, cuando en la primera fase aparece el
semiciclo positivo, conduce el diodo, mientras que en la otra fase o voltaje
dos el diodo se encuentra bloqueado, es decir, no conduce porque está
recibiendo un semiciclo negativo.
Convertidor AC-DC Monofásico
Un rectificador convierte la corriente
alterna en corriente continua. La finalidad de un rectificador puede ser
generar una onda de tensión o corriente continua pura o con un nivel
determinado de corriente continua. En la practica los rectificadores de media
onda se utilizan en las aplicaciones de baja potencia debido a que estos
introducen sobre el sistema de alterna, corriente media con contenido diferente
de cero. Esta corriente media ocasiona problemas de saturación en las máquinas
eléctricas y en especial en los transformadores. Aunque sus aplicaciones son
limitadas, merece la pena su estudio ya que su compresión permitirá el análisis
de configuraciones más compleja de los puentes convertidores de electrónica de
potencia.
Convertidor Monofásico Ac-Dc De
Media Onda
Consiste en el circuito de un
rectificador monofásico de media onda,en donde el diodo rectificador
se ha reemplazado
por un tiristor.
La figura 68,
muestra el circuito, el
primer cuadrante, es
decir voltaje DC
y corriente DC
en la carga positivos y las formas de onda
respectivas. Obsérvese cómo durante
el semiciclo positivo
de Vs, el
tiristor se encuentra polarizado directamente,
pero no conduce
hasta que al
terminal de puerta
se le aplique un pulso o disparo
de tensión en ωt = α. A partir de ese
momento, la tensión Vs queda aplicada a la carga R el resto del semiciclo
positivo hasta que ωt = π. A partir de ese momento se inicia el semiciclo
negativo, quedando el tiristor polarizado inversamente, apagándose o dejando de
conducir de forma natural, ya que además la corriente del mismo, io, ha llegado
a cero y ha quedado pordebajo de la corriente de mantenimiento. El SCR queda
apagado desde ωt = π hasta ωt = 2π.
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| Figura 68 |
Convertidor Monofásico Ac-Dc De
Onda Completa
Consiste en el circuito de un
rectificador monofásico de onda completa, en donde los diodos
rectificadores se han reemplazado por
tiristores yla carga
se asume altamente inductiva, de
tal manera que la corriente por la carga es continua y libre de componentes
armónicas, ya que
la carga se
comporta como un
filtro pasabajas. La figura
69, muestra el
circuito, los cuadrantes
de operación, en dondeexisten dos posibilidades de
polaridad de la carga en cuanto al voltaje DC (positivo o negativo), mientras
que la corriente DC en la carga es siempre positiva. También se muestran las
formas de onda respectivas.Figura 69. Convertidor monofásico AC-DC onda
completa, carga inductivaDurante el semiciclo
positivo los tiristores
1 y 2
se encuentran polarizados directamente y
se disparan simultáneamente cuando
ωt = α. En
ese momento se
disparan al mismo
tiempo los tiristores 3 y4 que
se encuentran polarizados
directamente y se
apagan los tiristores 1y2
de forma automática,
pues ya se
encontraban polarizados
inversamente.Durante el intervalo ωt = α hasta ωt = π, el voltaje de entrada Vs
y la corriente de entrada is son positivos y por lo tanto la potencia fluye de
la red de alimentación a la carga. En este caso el convertidor funciona en modo
de rectificación. Durante el intervalo
ωt = π hasta
ωt = π +
α, el voltaje
de entrada Vs es
negativo y la corriente de entrada
is es positiva y por lo tanto la
potencia fluye desde la carga a la red de
alimentación, es
decir de forma
inversa. En este
caso el convertidor funciona en
modo de inversión.
Este tipo de
convertidor se emplea
mucho en la industria hasta potencias de unos 12 KW.
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| Figura 69 |
Convertidor AC-DC (Conceptos Básicos)
Convertidor CA-CD
Un convertidor de corriente
alterna en corriente continua directa parte de un rectificador de onda
completa, su carga puede ser puramente resistiva. Su misión fundamental es
proporcionar energía eléctrica en forma de corriente continua a partir de una
fuente de corriente alterna (normalmente la red.).La corriente continua se
obtiene aprovechando determinados trozos de la corriente alterna de cada una de
las fases de entrada:
El resultado es una corriente de
una sola polaridad pero variable. Se pueden utilizar distintos filtros para
eliminar las componentes variables de la salida y conseguir una corriente
continua más pura. Utilizando semiconductores controlables (tiristores) se
puede ajustar la duración del trozo de tensión alterna aprovechable y de esa
forma conseguir corriente continua con valor medio variable entre ciertos
límites (incluso negativos):
En muchas aplicaciones
industriales, la carga eléctrica alimentada requiere una tensión continua. La
conversión CA/CC es realizada por convertidores estáticos de energía,
comúnmente denominados rectificadores. Por tanto, un rectificador es un sistema
electrónico de potencia cuya función es convertir una tensión alterna en una
tensión continua. En una primera clasificación, podemos diferenciar los
rectificadores de acuerdo con el número de fases de la tensión alterna de
entrada. Los rectificadores no controlados son aquellos que utilizan diodos
como elementos de rectificación, en cuanto que los controlados utilizan
tiristores o transistores.
Hoy en día, el uso de circuitos de
electrónica de potencia abarca un mercado muy amplio, sus usos van desde
control a conmutación y conversión de energía, se encuentran en dispositivos
como rectificadores, control de fase, variadores de velocidad, fuentes de
alimentación ininterrumpida, fuentes de alimentación conmutadas, entre muchos
otros. Dado al amplio campo en el que se desenvuelve esta rama de la ingeniería
eléctrica es de esperarse del estudiante un conocimiento en lo que concierne
tanto a la teoría como a la puesta en práctica de circuitos de este tipo, es
por tanto que se desea realizar una metodología de aprendizaje practico con el
propósito de guiar al estudiante a través de las etapas básicas de aplicaciones
comunes (a pesar de la antigüedad del esquema básico del circuito) como lo es
un rectificador monofásico controlado por medio de SCR.
Rectificador: es el dispositivo electrónico que
permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza
utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido,
válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio (actualmente
en desuso).Dependiendo de las características de la alimentación en corriente
alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados
por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres
fases.
Bobina monofásica no
controlada: La rectificación no controlada requiere un estudio previo
de las necesidades, ya que el circuito rectificador tan solo funcionará de la
forma correcta si todas las condiciones de contorno con las que se ha realizado
el cálculo se cumplen. Es decir, tanto la tensión de entrada como la carga RL
han de ser las especificadas.
Circuitos rectificadores de media
ronda: Es
construido con un diodo ya que este puede mantener el flujo de corriente en una
sola dirección, se puede utilizar para cambiar una señal de CA a una de CC. En
la figura I. se muestra un circuito rectificador de media onda. Cuando la
tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza en directo y se puede
sustituir por un corto circuito. Si la tensión de entrada es negativa el diodo
se polariza en inverso y se puede remplazar por un circuito abierto. Por tanto
cuando el diodo se polariza en directo, la tensión de salida a través de la
carga se puede hallar por medio de la relación de un divisor de tensión.
Rectificador de onda
completa: convierte
la totalidad de la forma de onda de entrada en una polaridad constante
(positiva o negativa) en la salida, mediante la inversión de las porciones
(semiciclos) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Las
porciones positivas (o negativas) se combinan con las inversas de las negativas
(positivas) para producir una forma de onda parcialmente positiva (negativa).
Rectificador de onda completa
mediante dos diodos con transformador de punto medio: El transformador convierte la
tensión alterna de entrada en otra tensión alterna del valor deseado, esta
tensión es rectificada durante el primer semiciclo por el diodo D1 y durante el
segundo semiciclo por el diodo D2, de forma que a la carga R le llega una
tensión continua pulsante muy impura ya que no está filtrada ni estabilizada.
En este circuito tomamos el valor de potencial 0 en la toma intermedia del
transformador.
Rectificación monofásica
controlada: Es
un tipo de regulación mucho más complicada de implementar, pero proporciona un
control total de la carga. El esquema de este tipo de rectificadores sería como
el de los anteriormente expuestos, añadiendo entre la carga y la salida
rectificada, de forma conceptual, un interruptor. Este 'interruptor'
denominados tiristores (SCR) permitiría cortar el paso de la señal dentro de un
ángulo correspondiente entre 0 y 180 grados de la onda Senoidal, permitiendo un
control de potencia dentro de esos ángulos de disparo.
Filtrado: la corriente obtenida en la salida
de los rectificadores no es propiamente continua y dista mucho de ser
aceptablemente constante, lo que la inutilizaría para la mayoría de las
aplicaciones electrónicas. Para evitar este inconveniente se procede a un
filtrado para eliminar el rizado de la señal pulsante rectificada. Esto se
realiza mediante filtros RC (resistencia-capacitancia) o LC
(inductancia-capacitancia), obteniéndose finalmente a la salida una corriente
continua con un rizado que depende del filtro y la carga, de modo que sin carga
alguna, no existe rizado. Debe notarse que este filtro no es lineal, por la
existencia de los diodos que cargan rápidamente los condensadores, los cuales a
su vez, se descargan lentamente a través de la carga.
CLASIFICACIÓN DE LOS CONVERTIDORES
CA/CC
Para la clasificación de
estos dispositivos se utilizan diversos criterios:
En función del nº de fases de la
fuente de alterna:
a) Monofásicos.
b) Trifásicos.
c) Hexafásicos.
En función de la posibilidad de
control:
a) No controlados o rectificadores.
− No se puede controlar la magnitud de la tensión continua, que será siempre
fija. Se construyen con diodos.
b) Controlados. − Se puede regular
la magnitud de la tensión CC mediante el control de la zona de conducción de
los semiconductores de cada fase. − Tradicionalmente se construyen con
tiristores de los que se controla el instante de comienzo de conducción
(control por fase). La extinción se produce de forma natural: cuando pasa la
corriente por cero o cuando se dispara el tiristor de otra fase hacia el que se
desvía la corriente continua.
c) Semicontrolados − Se construyen
de forma mixta con diodos y tiristores y pueden controlar la magnitud de la
tensión continua de salida, aunque de manera menos flexible.
En Función De La Estructura Del
Convertidor:
a) En matriz de conversión.
− Entre cada fase de entrada
(alterna) y la salida (continua) existe
Sólo un único polo de potencia
b) En
puente.
− La carga es alimentada por una
matriz de conversión en cada
Extremo (una de ánodo común y otra
de cátodo común)
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