Convertidores ca-cd.docx

7/25/2019 Convertidores ca-cd.docx

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2.1.- Convertidores AC-DC

2.1.1.- Rectificador Monofásico no Controlado.

Es el montaje más simple y únicamente utilizable para pequeñas potencias. El circuitobásico y las formas de onda de su funcionamiento se muestran a continuación. Elfuncionamiento de dicho rectificador vendrá condicionado por el tipo de carga a la que estéconectado.

a conducción del diodo se produce durante el intervalo !"#t"$% durante el cual el voltaje&a'(!. )i el diodo es ideal% durante el semiciclo positivo el voltaje de la entrada se aplicarádirectamente a la carga. *o habiendo conducción durante el semiciclo negativo de $"#t"+$.

Para carga resistiva:



,ara tener referencia de la calidad de la señal rectificada podemos calcular los siguientesparámetros-

&alor ,romedio del voltaje de salida o de carga-

&alor promedio de la corriente de salida o de carga- do

&alor medio cuadrático /rms0 o eficaz del voltaje de salida-

El voltaje de salida rectificada tendrá por tanto la siguiente e1presión-

2on un valor medio igual a- y un valor eficaz o /rms0 de-

&alor medio cuadrático /rms0 o eficaz de la corriente de salida- rms o d3ef.

Factor de forma: f4 indica la relación entre el valor eficaz y el valor medio. )i el factor de forma es grande% indica que la onda tiene poca componente continua y mucha alterna.

4actor de forma-

El voltaje y5o la corriente de salida se puede descomponer en dos partes- el valor decontinua y la componente de alterna u ondulatoria-

Factor de rizado: r ndica la proporción de componente alterna que tiene la onda enrelación con la componente de continua.

6izado de la señal rectificada-



)i la señal es continua% el factor de forma es la unidad% y por lo tanto el rizado es nulo.2uanto mayor sea el rizado peor será el montaje rectificador.

Potencia Media o Activa: Es la potencia consumida por un receptor sometido a un voltaje

v/t0 y recorrido por una corriente i/t0. Es el valor medio de la potencia instantánea.

)i v/t0 es senoidal en fase y consideramos que i/t0 está desfasada un ángulo 7% la potenciamedia se puede calcular como-

Potencia Aparente- Es el producto de los valores eficaces de voltaje y corriente-

Potencia Reactiva: Es la parte imaginaria de la potencia aparente-

8s9 dado una tensión y una corriente periódica% las componentes de v e i en fase contribuyena la potencia activa% mientras que las componentes en cuadratura son las que contribuyen a

la potencia reactiva.

,ara comparar la calidad del rectificador en el uso que se realiza del transformador% sepuede cuantificar mediante los siguientes parámetros-

Factor de utilización de secundario (FUS)- )e define como el cociente entre la potencia encontinua suministrada por el rectificador a la carga por fase y la potencia aparente en elsecundario del transformador. En este caso% en carga resistiva% se obtiene un valor igual a-

:54s;<.=>% lo que significa que el transformador debe ser <.=> veces mayor de lo que tendr9aque ser para proporcionar energ9a a partir de un voltaje de corriente alterna puro. 8demástiene que conducir continua% pudiendo dar un problema de saturación.



2uando utilizamos un transformador% la potencia de alterna por cada fase consumida por lacarga del rectificador es menor que la que consume la fase correspondiente del primario%pues aunque las intensidades sean iguales% la tensión eficaz del rectificador es menor que lade primario /&m5?+0% ya que en el secundario no hay una senoide% sino una onda rectificada.

Factor de conversión o Rendimiento (@): )e define como la relación entre la potenciacontinua entregada a la carga y la potencia aparente cedida por la fuente a la carga. Esteparámetro sirve para comparar la efectividad del montaje para rectificar la tensión alternadisponible. En este rectificador obtenemos-

Para carga mixta R- El circuito y las formas de onda más caracter9sticas se muestra acontinuación. 8l tener una carga no lineal% la bobina almacenará energ9a durante el intervaloen que la corriente es creciente% siendo devuelta posteriormente. ,or efecto de la energ9aalmacenada% se provocará la conducción del diodo a partir del instante #t;$% punto de cruce

por cero del voltaje de entrada. 8s9 el diodo conducirá durante el semiper9odo negativo%reduciendo el valor continuo a la salida.



8nalizando el circuito obtenemos las siguientes ecuaciones-

6esolviendo esta ecuación diferencial de primer orden con coeficientes constantes%obtenemos-

,ara obtener el valor de 8 aplicamos las condiciones iniciales- la corriente en el instanteinicial es nula-

El !ngulo de extinción es aquel en el que la corriente se anula% habiendo sido forzada por la bobina% y se puede calcular resolviendo la ecuación transcendente.



8nalicemos la tendencia del tiempo de e1tinción para diferentes condiciones de la carga 6.)i 6 (( #.



Entonces substituyendo obtenemos-

En este caso la corriente está en fase con la tensión y la corriente del diodo se anula alpasar por cero la tensión en A5+.

2uando la carga se hace cada vez más inductiva% la corriente por la bobina esta cada vezmas retrasada de la tensión y mantiene al diodo conduciendo durante el semiperiodonegativo% estando para una carga puramente inductiva conduciendo todo el periodo A.

2alculemos las especificaciones del voltaje de salida rectificada-El valor medio de la tensión en la carga es- &o ; &6B &.



C el valor eficaz-

Dna caracter9stica interesante pero a la vez desafortunada% es la dependencia del voltaje desalida con la carga% lo cual indica que este rectificador posee regulación de carga. ,araevitar este fenómeno se utilizará un diodo adicional en el montaje anterior% diododenominado de libre circulación permitiendo que la corriente en la carga sea continua% ypreviniendo que el voltaje en la carga sea negativo.

"iodo volante para carga mixta R:

)in el diodo volante la corriente en la carga 6 es discontinua% ahora con + como diodo

volante la corriente será continua. 2uando ! " #t " π % el diodo : conduce. 2uando

cruce $% vs se hace negativa para π " #t " + π . urante este periodo% el inductor no

descarga su energ9a hacia la entrada% dado que hay un camino con un bajo potencial a

través de +. 2uando π " #t " + π la corriente circula por la carga decreciendo

e1ponencialmente. 2uando la corriente responde periódicamente en #t ; ! con el mismovalor. e esta forma al valor de la corriente en #t ; ! le denominamos 8.

Entonces-

8demás.

El valor de 8 se puede obtener de las dos e1presiones anteriores-



En el análisis del circuito podemos diferenciar tres estados-

)i el inductor es lo suficientemente grande% la corriente por la carga no se anula /conducción

continua s9 56(( π 5#0. e manera que dispondr9amos de dos estados donde siempre

estuviera un solo diodo en conducción. as ecuaciones que gobiernan al circuito son lassiguientes-



6esolviendo este sistema de ecuaciones podemos calcular el valor medio y eficaz del voltajea la salida% para comprobar que es independiente del valor de o de 6% es decir% no e1hiberegulación de carga.

Rectificador de onda completa:

Rectificador tipo puente:os rectificadores de onda completa sirven para rectificar una señal de 28 y convertirla enuna señal de 22 con un valor medio mayor al obtenido en los rectificadores de media onda.Aambién tienen la ventaja en cuanto a corriente suministrada por alguna fuente dealimentación% para los rectificadores de onda completa la corriente entregada por elgenerador es una señal alterna sin valor medio% esto es una ventaja si la fuente entrega laenerg9a a través de un transformador% ya que la componente de 22 es indeseable ya quecausa un aumento en cuanto a pérdidas y calentamiento en el transformador.

An!lisis para carga R:El primer circuito a analizar será para carga resistiva.



8nalizando el estado de los diodos según el voltaje de polarización que recibe cada uno%vemos que para el semiciclo positivo de la señal de voltaje de entrada los diodos : y =quedan con polarización directa% en cambio los diodos + y < están polarizados en forma

inversa% as9 en carga se refleja el voltaje de entrada. 2uando se supera el ángulo π % la

fuente cambia su polaridad y los diodos cambian todos de estado% los que conduc9an entranen estado de bloqueo y los que diodos + y < conducen. 8s9 el voltaje en la carganuevamente refleja la tensión de la fuente pero con polaridad inversa% la carga no cambia supolaridad ya que siempre la tensión aplicada a ella es positiva. a corriente que circula por la

fuente de alimentación es alterna% observemos el flujo de la corriente hacia la carga saledesde ambos e1tremos de la fuente y va alternando su recorrido en cada semiciclo.

El voltaje medio se calcula en la carga de la siguiente forma- tomando en cuenta que ahora

el per9odo de la señal es el doble que en el caso media onda% el per9odo es π .



2uando un diodo está en estado de bloqueo% el voltaje que aparece en sus terminalesánodo3cátodo es el voltaje que se le ha aplicado% en nuestro caso cuando uno de los diodostiene polarización inversa queda en paralelo con la fuente de alimentación y la tensión ensus terminales se refleja la señal de la fuente.ado que la carga es netamente resistiva% la señal de corriente en la carga es idéntica alvoltaje aplicado. a corriente de la fuente% la corriente de carga y la corriente que circula por los diodos% será graficada a continuación-

Cálculo FP del circuito:

Es necesario para conocer el factor de potencia% calcular la potencia activa en la carga y lapotencia aparente que se e1ige a la fuente de e1citación.



8s9 la potencia activa consumida por la carga se e1presa de la siguiente forma-

,ara calcular la potencia aparente entregada por la fuente% simplemente calculamos elproducto entre su tensión eficaz y la corriente efectiva que circula por ella. 6ecordemos queambas magnitudes son sinusoidales y su valor efectivo se obtiene fácilmente-

Entonces calculando la razón entre potencia activa consumida por la carga y la potenciaaparente que se e1ige a la fuente se obtiene el factor de potencia total del sistema.



Rectificador de onda completa tipo puente carga R#:

ado que para una carga de tipo inductiva la forma de onda de corriente contiene

armónicos% no podemos realizar el análisis de la misma forma que en la carga tipo 6. ,or esta razón se trabajará con el teorema de superposición y la serie de 4ourier de la señal devoltaje que llega a la carga.

icha señal de voltaje% corresponde a una señal de onda completa rectificada por el puentede diodos y se e1presará su valor instantáneo por la siguiente sumatoria de 4ourier-

onde &o es la componente de 22 dada por-a magnitud de cada señal armónica de voltaje está dada por-

8s9 la e1presión final para el voltaje de salida queda-

uego la e1presión de la corriente en la carga quedará e1presada como sigue-

e la e1presión obtenida para la corriente% se ve claramente que si la inductancia tiene unvalor elevado% las componentes armónicas desaparecen y la señal de corriente sólo poseeun valor continuo dado por-



8 partir de ahora para cargas altamente inductivas% se considerará una corriente sin rizado%as9 se simplifican los cálculos para obtener valores efectivos y para cálculos de factor depotencia. El siguiente circuito muestra un rectificador monofásico de onda completaalimentando una carga 6.

a forma de onda del voltaje de salida% corriente en la carga y la señal de corriente en laentrada del circuito se grafica a continuación. Aambién se incluye la corriente que circula por cada par de diodos que conforman el puente rectificador.



2omo ya se mencionó anteriormente% la corriente que circula por la carga es prácticamenteuna corriente continua cuando la inductancia en la carga es de gran magnitud% as9 lascomponentes de corriente alterna de la señal de corriente desaparecen y su magnitud decorriente es constante. 2on este supuesto una carga altamente inductiva se representa

como una fuente de corriente continua de magnitud invariable. El rectificador con cargafuente de corriente aparece en la figura siguiente-

)e grafica a continuación las formas de onda para corriente de entrada% salida y lascorrientes en los diodos para cada semiciclo de conducción-



Rectificador $nda completa usando transformador de %AP central

a topolog9a que analizaremos a continuación corresponde a un rectificador de ondacompleta% pero con varias diferencias respecto al visto anteriormente.En este caso en lugar de tener cuatro diodos% tenemos sólo dos% conduciendo sólo uno deellos para cada semiciclo. Esto es una ventaja si consideramos que en el rectificador tipopuente la corriente debe pasar por dos diodos antes de llegar hasta la carga% siendo mayor el nivel de pérdidas de potencia en caso de grandes magnitudes de corriente.a operación de este rectificador requiere un transformador con el lado secundariofraccionado en dos devanados de igual número de espiras% que actuarán como dos fuentesde voltaje polarizando ambos diodos para cada semiciclo de la señal sinusoidal de entrada.

8s9 podemos alimentar una carga en todo momento a través de un diodo u otro y con lamisma polaridad. a siguiente figura muestra la configuración del rectificador con eltransformador de A8, central. Estableciendo que-



)e observa que cuando un diodo está polarizado en forma inversa% el voltaje que aparece ensus e1tremos corresponde a &s B &o% cuando la fuente &s está en su semiciclo positivo% eldiodo en estado FoffG es + y su tensión de bloqueo es S + V B&o% vale decir que el diodorecibe una tensión pea' correspondiente al doble de tensión pea' que la carga% esto es una

consideración importante si pensamos trabajar con niveles de tensión elevados. 8 continuación se grafica las formas de onda para las señales del voltaje de entrada y voltajeen la carga.

a siguiente gráfica muestra la tensión de entrada como referencia para observar el voltajeque aparece en los terminales de un diodo cuando está en condición de bloqueo.



2uando el circuito tiene carga resistiva% la señal de corriente de entrada tiene formasinusoidal y además está en fase con el voltaje de la fuente de alimentación% debido a esto elfactor de potencia es unitario para carga 6.

8 continuación se mostrará el diagrama del circuito y sus correspondientes formas de onda

de corriente en el lado de la carga% entrada y corriente circulante en los diodos.

,ara cargas altamente inductivas las señales de corriente se graficarán junto a la señal devoltaje para observar que se obtienen señales idénticas para el caso de rectificador monofásico tipo puente. ,ara este caso de carga altamente inductiva 4, ; !.>.



Rectificador trifásico de media onda.

Es el montaje más sencillo para los rectificadores alimentados desde la red trifásica. )uesquema se muestra en la siguiente figura.

Aal como muestra la figura este rectificador está formado por un conmutador con cátodoscomunes o del tipo Hmás positivoH% de forma que a la salida se obtiene el voltaje mayor encada instante. ,or tanto si la red de acometida trifásica la consideramos como tres tensionessenoidales de valor eficaz y frecuencia iguales pero desfasadas :+!I /+$5<0% entonces cadadiodo conducirá un tercio de A.

&eamos las formas de onda caracter9sticas de este rectificador-



8 partir del análisis del circuito podemos obtener los intervalos de conducción de cada unode los diodos% pues por ejemplo para el diodo :% su duración dependerá del instante en que&:;&+ y &:;&<-

Estando : conduciendo% + empieza a conducir cuando &6; &)

Jperando análogamente se obtienen los siguientes intervalos de funcionamiento-

e esta manera el voltaje rectificado estará formada por q /q;número de tensiones arectificar0 cúspides de senoide% de amplitud la tensión eficaz de los voltajes a rectificar% por per9odo A. El per9odo del voltaje rectificado será A5q.

,or otra parte nos interesa calcular el voltaje inverso má1imo que debe soportar cada diodo.)uponiendo : en conducción% el voltaje inversa en + será-

2alculemos su valor má1imo derivando la e1presión% e igualándola a cero% obteniendo-

*o posible pues + esta en J*% entonces &inversa /ma10 ;

2alculemos ahora las caracter9sticas del rectificador-



El valor medio resulta igual a-

El valor eficaz resulta igual a-

,or ultimo el factor de forma y el rizado resulta igual a-

El factor de rizado que se obtiene es siempre menor que el de los rectificadoresmonofásicos. )i a pesar de ello se desea obtener menor rizado% será más fácil pues lafrecuencia del voltaje rectificado es < veces la de la red.

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