Convertidores AC/AC Reguladores de Alterna. Los controladores ac/ac tienen como finalidad suministrar tensión y corriente alterna variable a partir de una fuente alterna. Su operación se basa en la conexión y desconexión a intervalos regulares de la fuente sobre la carga. Este convertidor está conformado por dos semiconductores de potencias colocadas en anti paralelo que controla la conexión de la fuente en cada semiciclo. Funcionamiento: interruptores electrónicos conecta y desconecta la fuente a intervalos regulares. Esta conmutación se produce mediante un esquema denominado control de fase que tiene como efecto eliminar parte de la forma de onda de la fuente antes de alcanzar la carga. Por el tipo de componente de potencia que se utiliza en su construcción se califican en 2 tipos: Controlados (SCR O TRIAC) y Semi Controlado (SCR O DIODO).
Controlador AC/AC semi controlado.
Puente Controlado.
Aplicaciones de los Convertidores AC/AC Reguladores de Alterna. Hornos Industriales. Hornos de Inducción. Control de Iluminación. Arranque y Control de Velocidad de Motores de Inducción. Control de Reactivos. Relés de Estado Sólido.
Características de los Convertidores AC/AC Reguladores de Alterna. Realizan la conversión ac/ac de forma directa y sin etapa de intermedia de continua. Los tiristores no necesitan bloqueo forzado gracias al paso natural por cero de la intensidad. Proporciona una tensión de frecuencia fundamental menor o igual que la frecuencia de la tensión de entrada. Proporciona una tensión con un cierto contenido de armónicos.
Clasificación de los Convertidores AC/AC Reguladores de Alterna. Por tipo de Reguladores: Totales: Permiten la máxima variación de amplitud de la tensión de salida y presentan un mayor número de armónicos. Diferenciales: La amplitud de la tensión de salida tiene un margen más estrecho de variación y el contenido de armónicos es menor que el caso de los reguladores total. Por tipos de control: De fase: El valor de la tensión eficaz entregado a la carga se controla mediante el ángulo de disparo de los tiristores. Integral: El control de la tensión eficaz entregado a la carga apagando los tiristores durante el ciclo completo de la tensión de la red. Ciclo convertidores: el contenido de armónicos es menor que los otros reguladores de alterna y tiene funcionamiento en cuatro cuadrantes, puede funcionar tanto en cargas pasivas como en cargas regenerativas y para cualquier factor de potencia.
Convertidores AC/DC Rectificadores. Un convertidor AC/DC es un tipo de alimentación externa, a menudo encerrada en lo que aparenta ser una clavija de corriente de gran tamaño. Se utilizan normalmente con losdispositivos eléctricos que no contienen su propia fuente de alimentación interna. Los circuitos internos de una fuente de alimentación externa son muy similares en diseño al que se utiliza para laalimentación imbuido (built-in) o interna. RECTIFICADOR Es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya seansemiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio.
Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se lesclasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando solo se utiliza uno de los dos semi ciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semi ciclos son aprovechados. El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación y la carga. Rectificadores de Media Onda No Controlado. 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 práctica 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. En la figura 5.1, se presenta la configuración de este puente convertidor.
PUENTE RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA.
El estudio de los rectificadores de media onda alimentados con fuentes sinusoidales, su análisis con otro tipo de alimentación alterna es análogo. Para activar el diodo o derrumbar la barrera de potencial de la juntura NP, se requiere su polarización en directo es decir, que el ánodo sea más positivo que el cátodo (vak > 0), mientras que para su desactivación serequiere que la corriente que circula por el dispositivo sea igual ha cero, una forma de lograr esto es polarizando el dispositivo en inverso, es decir con tensión ánodo - cátodo negativa (vak <0), o esperar que la corriente pase naturalmente por cero (i(tb) = 0), esto trae como consecuencia que el apagado del diodo dependa de la naturaleza de la carga, en pocas palabras del adelanto o atraso del cruce por cero de la corriente con respecto a la tensión. Para el estudio del puente rectificador es necesario realizar algunas definiciones que serán útiles para la compresión y análisis de su funcionamiento. Ángulo o tiempo de encendido (α): Es el ángulo o instante de tiempo en el cual la barrera de potencial de la juntura se derrumba y por la componente empieza a circular corriente. Ángulo o tiempo de apagado (β): Es el ángulo o instante de tiempo en el cual la barrera de potencial de la juntura se restituye y por la componente se inhibe o suprime la circulación de corriente. Ángulo o tiempo de conducción (γ): Es el tiempo total o diferencia angular en al cual circula corriente por la componente y está definido por: γ = β- α
Rectificador con Carga Resistiva. En la figura se presenta en puente rectificador de media onda con carga pura resistiva. El puente esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal dada por la expresión: v f (t) =√2V sen (ωt).
Puente Rectificador de Media Onda no Controlado con Carga Resistiva. Considerando el diodo ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el ángulo de encendido del diodo para esta fuente sinusoidal se obtiene cuando el diodo se polariza en directo. Esto ocurre durante el semi ciclo positivo de la sinusoide (vak _ 0) por lo tanto el ángulo de encendido es cero(a = 0). Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmente por cero (i(t β) = 0). En el circuito de la figura, la corriente para 0 ≥t ≥t βes:
i(t) =v f (t)=√ 2V sen (wt) R R La corriente de la expresión (5.2) pasa naturalmente por cero en ωtβ=π, por lo tanto el ángulo de apagado es β=π En la figura 5.3, se presenta la corriente y la tensión en la carga resistiva y la fuente para este puente convertidor no controlado.
Tensión.Corriente. Formas de Onda para la Carga Resistiva.
Rectificador con Diodo de Descarga Libre. Se presenta en puente rectificador de media onda con carga resistiva inductiva y diodo de descarga libre. El puente esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal (v f (t) =√2V sen (wt)).
Puente Rectificador de Media Onda no Controlado con Carga RL y Diodo de Descarga Libre.
Considerando el diodo D1 ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el ángulo de encendido del diodo para esta fuente sinusoidal se obtiene cuando el diodo se polariza en directo durante el semiciclo positivo de la sinusoide (vak ≥ 0) por lo cual αD1 = 0 y βD1 = π. Para el diodo D2 de descarga libre el cual se encuentra en paralelo con la carga, su polarización en directo se alcanza en el semiciclo negativo de la onda sinusoidal por lo tanto aD2 = π y βD2 = 2π. Al encender el diodo dos este le da un camino de circulación a la corriente de la carga, asumiendo la totalidad de la corriente del diodo principal permitiendo el apagado del mismo. Este mecanismo de apagado se conoce como conmutación forzada. Se presenta el oscilo grama de corriente en la carga RL durante la operación del convertidor electrónico. En esta figura se puede observar claramente dos etapas de operación en el puente. Una transitoria correspondiente a la energización del puente y la otra a la
operación en estado estacionario. La operación en estado estacionario se caracteriza por que la corriente sobre la carga en un periodo de operación completo del puente debe ser de valor igual al mismo instante en el periodo anterior. A este hecho se le conoce como condición de régimen permanente y matemáticamente se expresa como: i(t) = i (t +T) En la figura 5.15 se presentan las forma de onda de la tensión y corriente en la carga y fuente de alterna de este puente convertidor, para una fuente de v f (t) = √2120sen (377t) ,R = 60ΩyL = 223mH.
TensionCorrientes Formas de onda para un rectificador no controlado de media onda con diodo de descarga Libre.
Rectificador de Media Onda Controlado Los rectificadores de media onda de diodos son conocidos como no controlados, debido a que su salida en corriente continua es fija y determinada por el valor pico de la fuente de corriente alterna que lo alimenta, su forma y la carga conectada en sus terminales. Una forma de controlar el valor DC entregado por el puente rectificador es reemplazar el diodo por otro dispositivo de electrónica de potencia capaz de tener mayor grado de controlabilidad. Una de las posibles formas de controlar la salida del puente rectificador es sustituir el diodo por un rectificador controlado de silicio (SCR) o tiristor. Se presenta el esquema del puente rectificador de media onda controlado con tiristor.
Esquema del Rectificador de Media Onda Controlado.
El control de la tensión de corriente continua a la salida del rectificador, se basa en retardar el inicio de la conducción del SCR mediante el pulso de corriente en la compuerta del dispositivo. Este pulso de corriente en la compuerta del dispositivo corresponde al ángulo de encendido (α) de la componente. Para tener control de encendido del tiristor se deben cumplir dos condiciones básicas: Polarización ánodo cátodo positiva (vak ≥0) y pulso de corriente en la compuerta del dispositivo (ig >0). A diferencia del diodo, el tiristor no entrará en estado de conducción en cuanto la señal de la fuente de alimentación sea positiva. La conducción no se inicia hasta que se aplica un pulso de corriente en la compuerta de encendido (Gate), lo cual es la base para utilizar el SCR como dispositivo de control. Una vez que el tiristor derrumba la barrera de potencial de las junturas NP y comienza a conducir, la corriente por la compuerta de encendido se puede retirar y el dispositivo continua en conducción hasta que la corriente que circula por él se hace igual a cero de forma natural o forzada.
Rectificador con Carga Resistiva. Se presenta el puente rectificador de media onda controlado con carga pura resistiva. El puente esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal dada por la expresión: v f (t) =√2V sen (wt).
Puente rectificador de media onda controlado con carga resistiva.
Considerando el Tiristor ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el rango de controlabilidad del puente está determinado por aquello valores del ángulo de encendido donde el tiristor se encuentre polarizado en directo (vak ≥0), garantizando de esta forma la conducción de la componente. El rango de control del tiristor está comprendido para este caso particular de fuente sinusoidal en su semi ciclo positivo (0 ≥α≥π). El ángulo de encendido a define el tiempo de inicio de conducción de la componente mediante la siguiente expresión: tα =α/ ω Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmente por cero (i(tβ) = 0). La corriente para tα≥t ≥tβ es:
i(t) = v f (t)=√2V sen (ωt) RR La corriente de la expresión pasa naturalmente por cero en ωt β= π, por lo tanto el ángulo de apagado es β= π. Se presentan las forma de onda de la tensión y corriente en la carga y fuente de alterna de este puente convertidor para un ángulo de disparo α= π / 3.
TENSIONCORRIENTE Tensión y corriente en la carga resistiva
Rectificador Monofásico. La finalidad de los rectificadores de onda completa es la misma que los de media onda, generar una tensión o corriente continua específica, a partir de una fuente de corriente alterna. Los rectificadores de onda completa, presentan mejores ventajas comparativas que los de media onda. La ventaja másimportante, es que la corriente media en el sistema alterno de alimentación del rectificador es cero, evitando así los problemas asociados al fenómeno de saturación de las máquinas eléctricas conectadas a la misma barra de alimentación en corriente alterna. Adicionalmente, disminuye el rizado en las corrientes de salida en la barra de corriente continua y se obtiene un mayor valor de tensión y corriente continua para la misma fuente de alimentación. Se analizará el puente rectificador monofásico de onda completa controlado, el análisis del rectificador no controlado o de diodos es análogo al controlado si sustituimos el ángulo de disparo por cero o α min en el caso de tener carga activa tipo RLE.
Aplicaciones Cargadores de Batería. Fuentes de Poder. Control de Velocidad y Posición de Máquinas de Corriente Continúa. Transmisión en Corriente Continua (HVDC). Excitatriz de Máquinas Sincrónicas. Electro Filtros. Entre Otras.
Esquema del Rectificador de Onda Completo Monofásico. Se presenta el esquema de un rectificador controlado de onda completa clásico, utilizado en electrónica de baja potencia. Este puente está compuesto por cuatro interruptores electrónicos de potencia, lo cuales son encendidos alternadamente en parejas cada medio ciclo de la onda alterna de la fuente de poder. Otra representación del mismo puente convertidor, se puede observar en la figura 2. Generalmente esta representación es la más utilizada en electrónica de potencia.
DIAGRAMA
ESQUEMA
Puente Rectificador Monofásico. Operación del Puente Rectificador. Durante el semiciclo positivo de la fuente de tensión, los tiristores uno y tres se encuentran polarizados en directo mientras que los componentes dos y cuatro en inversor. Durante este semiciclo, al recibir pulso de disparo por la compuerta los SCR uno y tres entran en conducción y la corriente circula por las componentes y la carga.
Circulación de corriente por el puente convertidor durante el semiciclo positivo de la fuente.
Los tiristores uno y tres pueden apagar de forma natural si la corriente pasa por cero antes de que los SCR dos y cuatro reciban orden de encendido durante el semiciclo negativo de la fuente. Adicionalmente, estos tiristores también pueden apagar de forma forzada al encender los dispositivos dos y cuatro los cuales suministrarán un nuevo camino de circulación a la corriente de la carga durante el semiciclo negativo de la fuente. Se presenta el camino de circulación de la corriente durante el semiciclo negativo de la fuente con los dispositivos dos y cuatro encendidos.
Circulación de corriente por el puente convertidor durante el semiciclo negativo de la fuente
Para obtener simetría en la corriente en la fuente con respecto al semiciclo positivo y negativo los ángulos de disparos entre las componentes T1, T3 y T2, T4 deben estar desfasados en la mitad del periodo de la fuente alterna (T=2).Se puede observar como la circulación de corriente en la carga es igual para ambos casos. El esquema de pagado de las componentes (natural o forzado) define dos formas de operación del puente convertidor. Condición no continuada de corriente: cuando el apagado de las componentes se realiza de forma natural (i(tβ ) = 0), en esta operación la corriente sobre la
carga es cero durante un lapso de tiempo,en el cual ninguno de los componentes electrónicos conduce corriente. Otra forma de determinar esta condición de operación es calculando el ángulo de apagado de las componentes el cual debe ser menor al de encendido de los dispositivos a conmutar (b <(a +T=2)).
Circuito Equivalente del Puente Rectificador Monofásico. El puente rectificador de onda completa monofásico de puede modelar mediante la superposición de dos puentes de media onda desfasados en medio periodo de la señal de alterna, agrupando los tiristores T1, T3 y T2, T4 en dos SCR TA y TB donde: TA⇒T1 ^T3 Y TB⇒T2 ^T4 Se presenta el circuito equivalente del puente rectificador de onda completa monofásico. El periodo de la señal en el lado de corriente continua es de la mitad del de la fuente de corriente alterna que alimenta el convertidor (T=2).
Circuito equivalente del rectificador de onda completa monofásico.
Puente Semicontrolado. Se presenta el esquema del puente rectificador Semicontrolado alimentando una carga resistiva inductiva. Este puente está conformado por dos tiristores y dos diodos a diferencia del puente controlado.
Puente rectificador Semicontrolado.
Durante la operación del puente en cada semiciclo de la forma de onda de la fuente, el diodo inferior del tiristor que se encuentra encendido queda conectado en paralelo a la carga realizando funciones de descarga libre. se presentan las topologías de conducción del puente para los semiciclo positivos y negativos de la fuente.
Semiciclo positivo.Semiciclo negativo. Topología del rectificador Semicontrolado para cada semiciclo de la fuente.
El diodo de descarga libre origina que la carga no pueda ver tensión negativa (vcarga (t)). La operación de este convertidor en condición continuada de corriente depende de la constante de tiempo de la carga (t), el periodo de operación de la fuente (T) y del retardo en el encendido ( α) del puente.Para garantizar condición continuada de operación para una carga resistiva inductiva, se debe garantizar que:
t =L≥αT R10π
Rectificador Trifásico. La finalidad de los rectificadores trifásicos es la misma que los de media onda y onda completa monofásica, generar una tensión o corriente continua específica, a partir de una fuente de corriente alterna. Los rectificadores trifásicos, presentan mejores ventajas comparativas que los de media onda. La ventaja más importante, es que la corriente en el sistema alterno de alimentación del rectificador es cero, evitando así los problemas asociados al fenómeno de saturación de las máquinas eléctricas conectadas a la misma barra de alimentación en corriente alterna. Adicionalmente, disminuye el rizado en las corrientes de salida en la barra de corriente continua y se obtiene un mayor valor de tensión y corriente continua. En este capítulo se analizará el puente rectificador trifásico controlado, el análisis del rectificador no controlado o de diodos es análogo al controlado si sustituimos el ángulo de disparo por cero.
Aplicaciones. Cargadores de Batería. Fuentes de Poder. Control de Velocidad y Posición de Máquinas de Corriente Continua. Transmisión en Corriente Continua (HVDC). Excitación de Máquinas Sincrónicas. Electro Filtros. Entre Otras.
Esquema del Rectificador Trifásico. Se presenta el esquema de un rectificador controlado trifásico. Este puente está compuesto por seis interruptores electrónicos de potencia, lo cuales son encendidos alternadamente en parejas cada medio ciclo de las tres ondas alternas de la fuente de poder.
Diagrama del puente rectificador trifásico.
Operación del Puente Rectificador. En el análisis inicial del circuito, se considera que el generador trifásico es equilibrado, de secuencia positiva (a; b; c) e ideal al igual que los Tiristores. En este circuito se tiene: 1. En los terminales eléctricos del puente se aplica la tensión línea a línea del sistema trifásico generado por la fuente de poder. (vab; vbc; vca) 2. Aplicando la ley de Kirchhoff de tensiones sobre el circuito, se demuestra que sólo puede conducir un tiristor en la mitad superior del puente (T1; T3; T5). El tiristor en estado de conducción corresponde al que presenta la mayor tensión instantánea de fase en su cátodo y tiene pulso de encendido en la compuerta. 3. De igual forma, la ley de Kirchhoff de tensiones muestra que sólo puede conducir a la vez un tiristor de la mitad inferior (T2; T4; T6). El tiristor en estado de conducción tendrá su cátodo conectado a la tensión de fase de menor valor en ese instante. 4. Los Tiristores de la misma rama no pueden conducir al mismo tiempo debido a que originarían un cortocircuito en la barra de corriente continua. 5. La tensión de salida del puente sobre la carga, se obtiene como la superposición de las tensiones línea a línea del sistema trifásico y de sus complementos. 6. Debido a que la transición de la tensión línea a línea más elevada se realiza cada sexto del periodo del generador el puente se denomina: rectificador de seis pulsos.
Tensiones Línea a Línea del Generador Trifásico con sus Complementos.
Secuencia de Disparo del Puente.
Análisis de la Operación del Puente. La condición de operación del puente de seis pulsos puede ser analizada en régimen transitorio y régimen permanente de operación. En esta sección se analizará el puente en régimen permanente de operación. Analizando el circuito y considerando los Tiristores ideales, es decir que su tensión de ruptura es cero, el rango de controlabilidad del puente está determinado por aquello valores del ángulo de encendido donde el tiristor se encuentre polarizado en directo (vak≥0), garantizando de esta forma la conducción de la componente, esto ocurre cuando la fuente de tensión sinusoidal iguala y supera a la fuente de tensión continua (E) de la carga por lo cual el ángulo de encendido mínimo es función de la magnitud de las fuentes sinusoidal y continua del circuito. El rango de control del tiristor está comprendido para este caso particular de fuente sinusoidal entre el ángulo de disparo mínimo y máximo (αmin≥a ≥ αmax).
