Download Convertidores de Potencia

Portilla, Franco. Convertidores de Potencia
CONVERTIDORES DE POTENCIA
Franco Portilla
fportilla@aunar.edu.co
Corporación Universitaria Autónoma de Nariño
RESUMEN:
Los
convertidores
constituyen el núcleo de los sistemas
electrónicos de potencia. Dentro de los
mismos, juegan un papel muy
importante los rectificadores, los cuales
transforman potencia de corriente
alterna en potencia de corriente
continua. Los rectificadores pueden ser
controlados, semicontrolados o no
controlados, dependiendo del tipo de
semiconductores
utilizados
como
elementos de conmutación. En este
artículo
examinaremos
las
características generales
de estos
últimos, basados en diodos.
como se conectan y desconectan sus
dispositivos
semiconductores
de
potencia, Figura 1. La conmutación es
muy importante debido a que especifica
la forma en la cual la corriente es
transferida de un dispositivo de potencia
a otro dentro del convertidor. La
conexión (turn-on) y desconexión (turnoff) de un dispositivo de potencia dado
dependen, respectivamente, de la fuente
de los pulsos de disparo (Reloj interno,
línea o carga) y la fuente de voltaje de
conmutación. Desde este último punto
de vista, se habla de convertidores
autoconmutados y de convertidores
conmutados por línea o por carga.
GENERALIDADES
Los convertidores son circuitos que
aprovechan las características de
conmutación de los diodos, transistores
y tiristores para convertir una forma de
potencia a otra con el fin de facilitar su
control
o
acondicionamiento.
Dependiendo del tipo de transformación
realizada, se habla de convertidores AC
– DC (rectificadores), AC – AC
(reguladores AC),
DC –
DC
(Reguladores DC) y DC – AC
(inversores). En todos estos casos, la
acción de conmutación es realizada por
uno o más dispositivos seleccionados de
acuerdo a los requisitos de voltaje,
corriente y velocidad propios del
convertidor.
Cuando
se
usan
únicamente diodos como elementos de
conmutación, se tiene entonces un
rectificador no controlado.
Los convertidores pueden ser también
clasificados de acuerdo a la naturaleza
de la conmutación, es decir la forma
Figura 1.
Puesto que las operaciones de los
convertidores se basan principalmente
en la conmutación de los dispositivos
semiconductores de potencia, los
mismos introducen armónicas en sus
propias salidas y en el sistema de
alimentación primario, así como
interferencia
con
circuitos
de
comunicación y señalización. Para
minimizar estos efectos, y conseguir
una forma de onda de salida aceptable,
1
Portilla, Franco. Convertidores de Potencia
normalmente es necesario introducir
filtros en la salida y la entrada de los
convertidores, como se indica en la
Figura 2.
Los rectificadores industriales pueden
ser también clasificados de acuerdo al
número de fases de la fuente AC
(usualmente una o tres), esta misma
clasificación es aplicable, en general, a
cualquier tipo de convertidor lo que
proporciona un gran número de
configuraciones posibles. En este
artículo nos referiremos exclusivamente
a
rectificadores
no
controlados
monofásicos y trifásicos.
Tanto los rectificadores monofásicos
como los trifásicos pueden ser de media
onda o de onda completa. En la Figura
3 se muestra la configuración típica de
un rectificador monofásico de media
onda y las formas de onda de los
voltajes obtenidos en la entrada (Vs), la
salida (VL), y sobre el diodo (VD) así
como la corriente a través de la carga
(IS). Se asume que esta última es
puramente resistiva. Este tipo de
rectificador es el más sencillo de todos
y, aunque no es muy utilizado en
aplicaciones industriales, resulta útil
para comprender el principio de
operación de los rectificadores en
general.
Figura 2.
En general, la calidad de un convertidor
de potencia se juzga por la calidad de
sus formas de onda de voltaje y de
corriente. Desde este punto de vista,
juega un papel muy importante la
estrategia de control utilizada por el
mismo.
RECTIFICADORES
MONOFASICOS
Rectificadores de Media Onda
Un rectificador es un circuito que
convierte
potencia
AC
(BIDIRECCIONAL) en potencia DC
(Unidireccional.). la mayoría de
rectificadores
son
convertidores
conmutados por línea y pueden ser
controlados
o
no
controlados,
dependiendo, respectivamente, de si
utilizan diodos o tiristores (SCR) como
elementos de conmutación, también
existen rectificadores semicontrolados,
en los cuales únicamente una porción de
sus elementos de conmutación son
controlables. En este artículo nos
referiremos exclusivamente a los
rectificadores no controlados. Un caso
especial lo constituyen los convertidores
completamente controlados, los cuales
pueden actuar como rectificadores o
como inversores.
Figura 3.
2
Portilla, Franco. Convertidores de Potencia
Observe que durante el semiciclo
positivo del voltaje de entrada, el diodo
D1 conduce y este voltaje aparece a
través de la carga. Durante el semiciclo
negativo del mismo voltaje, el diodo
queda inversamente polarizado y, por
tanto, no conduce. Por tanto, el voltaje
de salida es cero. El proceso se repite,
obteniendo como resultado un voltaje
de salida DC periódico pulsante, el cual
es discontinuo y contiene armónicas.
Este voltaje puede considerarse formado
por dos componentes: un valor medio
(Vcd) y un componente ondulatoria
(Rizado o ripple). Los valores medio
(Vcd) y efectivo (Vrms) del voltaje de
salida se evalúan a partir de las
siguientes relaciones:
 El factor de forma de (FF),
definido
por
la
relación
Vrms/Vcd.
 El
factor
de
rizado
o
componente ondulatoria (RF),
definido
por
la
relación
Vca/Vcd.
Este último se expresa normalmente
como un porcentaje y es uno de los
parámetros mas
importantes de
cualquier rectificador. Entre más
pequeño sea el factor de rizado, más
suave es la forma de onda resultante.
Para el caso de un rectificador de media
onda, este factor es del orden del 121%,
lo que significa que en su salida tiene
más componente de voltaje AC que de
voltaje DC. Por tanto, este tipo de
circuito no es una forma muy eficiente
de producir voltaje de DC a partir de
una fuente de AC, Los rectilíficadores
de onda completa, que se examinan a
continuación, constituyen una mejor
alternativa.
Vcd=Vm = 0.318 Vm
π
Vrms= Vm = 0.5 Vm
2
Siendo Vm la amplitud del voltaje CA
de entrada. Puesto que la carga es
puramente resistiva (R), los valores
medio (Idc) y efectivo (Irms) de la
corriente
de
salida
serán
respectivamente iguales a Vdc/R y
Vrms/R. otros parámetros utilizados
para evaluar el rendimiento de un
rectificador son los siguientes:
Rectificadores de Onda Completa.
En la Figura 4 se muestra el circuito
básico de un rectificador de onda
completa que utiliza un transformador
de derivación central. Cada mitad del
transformador está asociado a un diodo
y actúa como un rectificador de media
onda.
 La potencia de salida en
corriente
continua
(Pcd),
definida por el producto
VdcIdc.
 La eficiencia o relación de
rectificación (h), definida por la
relación Pcd/Pca.
 El valor efectivo de la
componente AC (rizado) del
voltaje de salida, definido por la
ecuación (Vrms2 – Vcd2).
Figura 4.
3
Portilla, Franco. Convertidores de Potencia
Específicamente, D1 conduce durante el
semiciclo positivo del voltaje de entrada
y D2 durante el negativo. En ambos
casos
la corriente regresa por el
terminal central. En la Figura 5 se
muestran las formas de onda asociadas
con el circuito. Nuevamente, se asume
que la carga es de naturaleza resistiva.
En este caso, el voltaje de salida DC o
promedio esta dado por:
Vcd= 2Vm = 0.6366 Vm
π
Siendo Vm el valor máximo o pico del
voltaje de salida de cada mitad del
transformador. El factor de rizado de
este circuito es del 48.2%, el cual es
evidentemente mejor que el de un
circuito de media onda.
Aunque solo necesita dos diodos, tiene
las desventajas de requerir un
transformador de construcción especial
y someter cada diodo a una alta tensión
inversa (2Vm).
Figura 5.
REFERENCIAS
[1] Rashid, Muhammad. Electrónica
de Potencia. Segunda Edición. Pearson
Educacion 1995.
[2] Daniel, Hart. Electronica de
Potencia. Pearson Educacion 2001.
4
Portilla, Franco. Convertidores de Potencia
5