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Convertidores de energía eléctrica
Contenido
RESUMEN (ESPAÑOL)...........................................................................................................3
RESUMEN (INGLES)...............................................................................................................4
CONVERTIDORES DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA..............................................................5
INTRODUCCIÓN......................................................................................................................5
RECTIFICADOR.......................................................................................................................5
INVERSOR................................................................................................................................6
CICLOCONVERSOR................................................................................................................7
INTERRUPTOR CHOPPER.....................................................................................................7
MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS.........................................................................11
MODULACIÓN SWM..............................................................................................................12
SPWM......................................................................................................................................12
CONVERTIDOR BUCK..........................................................................................................16
CONVERTIDOR BOOST........................................................................................................17
CONVERTIDOR BUCK-BOOST............................................................................................17
VARIADOR DE FRECUENCIA..............................................................................................18
BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................19
RESUMEN (ESPAÑOL)
Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos.
En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua.
La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador.
La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
Modulación SWM: Cuando surge la necesidad de variar una tensión alterna, con el objetivo de entregar mayor o menor potencia en una carga particular, es donde aparecen los controles de potencia monofásicos, con los cuales se logra recortar partes de la onda senoidal, variando la potencia entregada a la carga. Las técnicas convencionales empleadas, son por control de fase, estas generan armónicas cercanas a la armónica fundamental, lo cual hace que los filtros utilizados para eliminarlas sean complejos y poco económicos. Es por esto, que aparecen técnicas como la que se utiliza en este proyecto para que las primeras armónicas se vean desplazadas a frecuencias más altas, lo cual hace que los filtros empleados para la eliminación de las armónicas contaminantes sean de diseño más simple
El convertidor Buck (o reductor) es un convertidor de potencia, DC/DC sin aislación galvánica, que obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada. El diseño es similar a un convertidor elevador o Boost, también es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida.
El convertidor Boost (o elevador) es un convertidor DC a DC que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada. Es un tipo de fuente de alimentación conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores (diodo y transistor), y al menos un elemento para almacenar energía (condensador, bobina o combinación de ambos). Frecuentemente se añaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento.
Tenemos dos esquemas llamados convertidor buck–boost. Los dos pueden suministrar un voltaje de salida mucho mayor (en módulo) que el voltaje de entrada. Los dos producen un ancho rango de voltajes de salida desde un voltaje máximo hasta casi cero.
RESUMEN (INGLES)Power conversion is the process of converting one form of energy into another , this may include electromechanical or electrochemical processes.
In electronics, a rectifier is a circuit element that converts alternating current to direct current.
The function of an inverter is to change an input voltage to a DC output voltage symmetrical alternating current , the magnitude and frequency desired by the user or the designer.
The pulse width modulation (also known as PWM stands for pulse- width modulation ) of a signal or power source is a technique in which the duty cycle of a periodic signal ( a sine or a square is modified , for example) either to transmit information through a communications channel or to control the amount of power sent to a load.
SWM Modulation : When the need arises to change an AC voltage , in order to deliver more or less power in a particular load, is where single-phase power controls , which is achieved with cut out parts of the sine wave , shown by varying the power delivered to the load . Conventional techniques used are by phase control, these generate harmonic close to the fundamental harmonic , which makes the filters used to remove them are complex and uneconomical . This is why , as shown techniques used in this project to the first harmonic will be displaced to higher frequencies , which makes the form of filter for eliminating the harmonic contaminants are of simpler design
The Buck (or reducing ) converter is a power converter , DC / DC without galvanic isolation , which obtained its output a DC voltage lower than its input. The design is similar to an elevator or Boost converter is also a switching power supply with two semiconductor devices ( transistor and diode D S ) , an inductor L and a capacitor C optionally departure.
The Boost ( or lift) converter is a DC to DC converter which obtained its output a DC voltage greater than its input . It is a type of switching power supply containing at least two semiconductor switches ( transistor and diode ) , and at least one energy storage element ( condenser coil or combination of both). Often filters built with inductors and capacitors to improve performance are added.
We have two schemes called buck -boost converter . Both can provide an output voltage much larger ( in modulus ) than the input voltage . Both produce a broad range of output voltages from a high voltage to almost zero .
CONVERTIDORES DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
Introducción.Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos.
Aplicaciones. Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores estáticos de potencia, clasificados en:
Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua Inversores: convierten corriente continua en corriente alterna Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna de otra
frecuencia menor Choppers: convierten corriente continua en corriente continua de menor o
mayor tensión
En la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo de potentes motores.
RECTIFICADOREn electrónica, un rectificador es el elemento o circuito 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.
Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando sólo se utiliza uno de los 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 alterna y la carga.
Rectificador 2N1849 Rectificador de onda completa (puente de diodos)
INVERSORLa función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para controlar alta potencia. Los inversores también se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas.
Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular.Esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal deberían ser senosoidal. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores.
Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o dispositivos similares, como los tiristores, los triac o los IGBT.
Los inversores más eficientes utilizan varios artificios electrónicos para tratar de llegar a una onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la onda.
Se pueden clasificar en general en dos tipos:
1) inversores monofásicos
2) inversores trifásicos.
Se pueden utilizar condensadores e inductores para suavizar el flujo de corriente desde y hacia el transformador.
Además, es posible producir una llamada "onda senoidal modificada", la cual se genera a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Una circuitería lógica se encarga de activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente. Los inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas, como motores, por ejemplo; operen de manera menos eficiente.
Los inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida. También se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de potencia (cos Φ).
Los inversores de alta potencia, en lugar de transistores utilizan un dispositivo de conmutación llamado IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor ó Transistor Bipolar de Puerta Aislada).
Tablero Inversor de cargas Circuito de inversor
CICLOCONVERSORUn Cicloconversor es un Convertidor estático de potencia que convierte un voltaje AC, como es el suministro que ofrece la red eléctrica, a otro voltaje AC sin la necesidad de una etapa intermedia de CC. La amplitud y la frecuencia del voltaje de entrada tienden a ser fijas, mientras que tanto la amplitud como la frecuencia del voltaje de salida pueden ser variables dependiendo del control.
A diferencia de otros convertidores estáticos, en este equipo la conversión se hace directamente de corriente alterna a corriente alterna, sin que exista un enlace intermedio de corriente continua ni elementos almacenadores de energía. Para ello, y mediante la conmutación de semiconductores, la forma de onda del voltaje de salida se va construyendo por segmentos de la forma de onda de los voltajes de entrada. Es por esto que además la forma de onda resultante es necesariamente de menor frecuencia que la de entrada.
INTERRUPTOR CHOPPEREl término chopper se usa para referirse a los numerosos tipos de dispositivos y circuitos electrónicos de conmutación. El término se ha distorsionado un poco y, como resultado, en la actualidad (años 2000) es mucho menos usado que hace quizás 30 años o más.
Esencialmente, un chopper es un interruptor electrónico que se usa para interrumpir una señal bajo el control de otra. La mayoría de los usos modernos también usa nomenclatura alternativa que ayuda clarificar qué tipo particular de circuito está discutiéndose. Éstos incluyen:
Fuentes de alimentación conmutadas, incluyendo convertidores de AC a DC. Controles de velocidad para motores de DC. Amplificadores clase D. Drivers de frecuencia variable.
Interruptor chopper blaupunkt
INVERSORES C.D. A C.A.
IntroduccionUn inversor permite la trasformación de corriente continua a alterna cuando en el lado de alterna solo hayan receptores de energía.Existen diferentes tipos de inversores:
1) Monofásicos2) Polifásicos
Típicamente de busca obtener una señal senoidal en la carga.Aplicaciones:
1) Alimentación de motores de alterna2) Sistemas de alimentación ininterrumpibles (SAI)3) Balastos electrónicos4) Otros
Aplicaciones
INVERSOR MONOFÁSICO CON TRASFORMADOR (PUSH-PULL)
La tensión de salida depende no solo de la tensión de la fuente CD de entrada sino de la relación de N1/N2 del trasformador utilizado.Los tiristores conducen en forma alterna.Utiliza un capacitor para realizar la conmutación de los tiristores.La forma de onda de la tensión de salida es rectangular aproximadamente.
Inversor push-pull: funcionamiento básico Circuito real
INVERSOR SEMI PUENTE
Tipicamente se emplean señales de gobierno con ciclo de trabajo de 50% y complementarias en los dos interruptores.La tension de salida es una onda cuadrada de amplitud V E / 2
Inversor demi puente implementacion practica.
Funcionamiento en cuatro cuadrantes – diodosFuente unica CC – divisor capacitivoAislamiento – trasformador
Formas de onda
INVERSOR EN PUENTE COMPLETO
Formas de onda de la corriente según el tipo de carga.
Funcionamiento
Permite manejar el doble de potencia que un medio puente para el mismo esfuerzo en los interruptores.
MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOSIntroducción
La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:
D es el ciclo de trabajo es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)
T es el período de la función
La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal dientes de sierra y el ciclo de trabajo está en función de la portadora.
La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación.
Modulación SWMIntroducción
Cuando surge la necesidad de variar una tensión alterna, con el objetivo de entregar mayor o menor potencia en una carga particular, es donde aparecen los controles de potencia monofásicos, con los cuales se logra recortar partes de la onda senoidal, variando la potencia entregada a la carga. Las técnicas convencionales empleadas, son por control de fase, estas generan armónicas cercanas a la armónica fundamental, lo cual hace que los filtros utilizados para eliminarlas sean complejos y poco económicos. Es por esto, que aparecen técnicas como la que se utiliza en este proyecto para que las primeras armónicas se vean desplazadas a frecuencias más altas, lo cual hace que los filtros empleados para la eliminación de las armónicas contaminantes sean de diseño más simple.
SPWM El funcionamiento básico de la modulación por ancho de pulso es simple, una serie de pulsos cuyo ancho es controlado por la variable de control. Es decir, que si la variable de control se mantiene constante o varía muy poco, entonces el ancho de los pulsos se mantendrá constante o variará muy poco respectivamente.
Si hacemos que el ancho de pulso no varíe linealmente con la variable de control, de modo que el ancho de los pulsos puede ser diferentes unos de otros, entonces sería posible seleccionar el ancho de los pulsos de forma que ciertas armónicas sean eliminadas. Existen distintos métodos para variar el ancho de los pulsos. El
más común y el que incentiva esta ponencia es la modulación senoidal del ancho de pulso (SPWM).
Implementación
Existen varios métodos posibles para la implementación de SPWM. El desarrollador podría pensar que sería mas sencillo y eficiente utilizar amplificadores operacionales comparando entre la señal senoidal de referencia y la triangular. Pero, si bien este tipo de implementación es perfectamente posible, se presentan otros problemas. Generar una señal senoidal pura y coherente de 50 Hz no es tarea fácil, de la misma forma, tampoco lo es generar una señal triangular. Además, ambas señales deben ser capaces de ponerse en fase con la tensión de línea de 50 Hz lo cual presenta el desafío más importante. La señal senoidal de referencia debe ser entonces coherente y en fase con la tensión de línea y no ser obtenida a partir de esta última. La señal triangular debe ser tan perfecta como sea posible y su frecuencia tan alta como se necesite desplazar los armónicos indeseados. Adicionalmente, como el SPWM debe estar en fase con el período de la tensión de línea, la frecuencia de la señal triangular deberá ser un múltiplo entero de la de línea. Entonces, por ejemplo, la tensión de línea es de 50 Hz, la señal senoidal de referencia debe ser de 50 Hz y la triangular de 50*k Hz. Es por estas razones que resulta evidente que las técnicas digitales pueden realizar este trabajo sin repasar los mismos problemas.
Diagrama en Bloques
El esquema que se presenta es de configuración sencilla y segura. El microcontrolador se encuentra aislado de la etapa 1, la cual detecta los cruces por cero de la señal de la red eléctrica monofásica de distribución de energía.
El control de disparo de la etapa de potencia se encuentra aislada por la etapa 2, la cual está formada por una fuente flotante. La alimentación del microcontrolador, como de las etapas adyacentes se realiza por una fuente de alimentación externa de 12 y 5V.
Circuito
El circuito del microcontrolador Atmega 32 posee pocos componentes asciados y pines utilizados, entre ellos se encuentran: un preset conectado al canal cero del ADC con el cual se varia la señal SPWM, el circuito oscilador externo compuesto por el cristal de 16MHz y sus capacitores, el circuito de reset, la entrada de detección del cruce por cero y la alimentacion del mismo.
El circuito de detección de cruce por cero esta compuesto por un puente ectificador, el cual entrega la onda rectificada al diodo emisor del optocoplador, este conmuta de estado ON a OFF en cada cruce por cero de la onda senoidal de 50Hz. La tensión del colector del transistor de salida del optoacoplador dispara el transistor driver obteniendose un pulso cada 0,01 seg. en el colector. Esta es la señal de entrada al microcontrolador en el pin de interrupcion cero.
Para tener aislación entre la etapa lógica y la etapa de potencia, mas resisamente la etapa de disparo del MOSFET, se diseño una fuente flotante. La fuente flotante se compone de dos transistores driver 2n3904, los cuales se encargan de conmutar el primario del transformador toroidal con la señalportadora de 50KHz modulada por la señal SPWM. Los pulsos de alta frecuencia del secundario son filtrados, teniendo de esta forma la señal SPWM 2 que dispara al MOSFET en la etapa de potencia.
La etapa de potencia se basa en una configuración de intrruptor de corriente alterna monofásico con puente rectificador. Esta configuración permite conmutar cargas de CA con dispositivos de CC.
En las siguientes dos gráficas se puede observar los resultados obtenidos respecto a la conmutación del Mosfet y la caida de tensión en la carga.Ademas, se puede ver que la primer componente que cobra importancia en el espectro en frecuencia se sitúa aproximadamente en los 4KHz.
CONVERTIDOR BUCK
Esquema básico de un convertidor Buck. El interruptor suele ser un MOSFET, IGBT o BJT.
El convertidor Buck (o reductor) es un convertidor de potencia, DC/DC sin aislación galvánica, que obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada. El diseño es similar a un convertidor elevador o Boost, también es una fuente conmutada con dos dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida.
La forma más simple de reducir una tensión continua (DC) es usar un circuito divisor de tensión, pero los divisores gastan mucha energía en forma de calor. Por otra parte, un convertidor Buck puede tener una alta eficiencia (superior al 95% con circuitos integrados) y autorregulación.
Convertidor Boost
Esquema básico de un convertidor Boost. El interruptor suele ser un MOSFET, IGBT o BJT.
El convertidor Boost (o elevador) es un convertidor DC a DC que obtiene a su salida una tensión continua mayor que a su entrada. Es un tipo de fuente de alimentación conmutada que contiene al menos dos interruptores semiconductores (diodo y transistor), y al menos un elemento para almacenar energía (condensador, bobina o combinación de ambos). Frecuentemente se añaden filtros construidos con inductores y condensadores para mejorar el rendimiento.
Un conector de suministro de energía habitual normalmente no se puede conectar directamente a dispositivos como ordenadores, relojes o teléfonos. La conexión de suministro genera una tensión alterna (AC) y los dispositivos requieren tensiones continuas (DC). La conversión de potencia permite que dispositivos de continua utilicen energía de fuentes de alterna, este es un proceso llamado conversión AC a DC y en él se usan convertidores AC a DC como rectificadores.
La energía también puede provenir de fuentes DC como baterías, paneles solares, rectificadores y generadores DC, pero ser de niveles inadecuados. El proceso de cambiar una tensión de continua a otra diferente es llamado conversión DC a DC. Un convertidor Boost es uno de los tipos de convertidores DC a DC. Presenta una tensión de salida mayor que la tensión de la fuente, pero la corriente de salida es menor que la de entrada.
Convertidor Buck-Boost
Es esquema básico de un convertidor buck–boost.
Tenemos dos esquemas llamados convertidor buck–boost. Los dos pueden suministrar un voltaje de salida mucho mayor (en módulo) que el voltaje de entrada. Los dos producen un ancho rango de voltajes de salida desde un voltaje máximo hasta casi cero.
La forma inversora – El voltaje de salida es de signo inverso al de entrada. Un buck (step-down) seguido de un boost (step-up) – El voltaje de salida tiene
la misma polaridad que la entrada, y puede ser mayor o menor que el de
entrada. Un convertidor buck-boost no-inversor puede utilizar un único inductor que es usado para el inductor buck y el inductor boost.
El convertidor buck–boost es un tipo de convertidor DC-DC que tiene una magnitud de voltaje de salida que puede ser mayor o menor que la magnitud del voltaje de entrada. Esta es switch mode power supply o fuente de alimentación conmutada con una forma parecida a la del convertidor boost y el convertidor buck. El voltaje de salida es ajustable variando el ciclo de trabajo del transistor de conmutación. Un posible inconveniente de este convertidor es que el interruptor no tiene un terminal conectado a tierra; esto complica el circuito. Además, la polaridad del voltaje de salida es opuesta al voltaje de entrada. Ninguno de los anteriores inconvenientes tiene consecuencias si la fuente de suministro está aislada del circuito de carga. (si, por ejemplo, la fuente es una batería) ya que la polaridad de la fuente y el diodo pueden simplemente cambiarse. El interruptor puede colocarse tanto en el lado de la tierra como en el lado de la fuente.
Variador de frecuencia
Pequeña unidad de variación de frecuencia Diagrama de un sistema VFD
Un variador de frecuencia (siglas VFD, del inglés: Variable Frequency Drive o bien AFD Adjustable Frequency Drive) es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentación suministrada al motor. Un variador de frecuencia es un caso especial de un variador de velocidad. Los variadores de frecuencia son también conocidos como drivers de frecuencia ajustable (AFD), drivers de CA, microdrivers o inversores. Dado que el voltaje es variado a la vez que la frecuencia, a veces son llamados drivers VVVF (variador de voltaje variador de frecuencia).
Motores asíncronosLos dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) está determinada por la frecuencia de CA suministrada y el número de polos en el estator, de acuerdo con la relación:
Donde
RPM = Revoluciones por minuto
f = frecuencia de suministro CA (Hercio)
p = Número de polos
Las cantidades de polos más frecuentemente utilizadas en motores síncronos o en Motor asíncrono son 2, 4, 6 y 8 polos que, siguiendo la ecuación citada, resultarían en 3000 RPM, 1500 RPM, 1000 RPM y 750 RPM respectivamente.
En los motores asíncronos las revoluciones por minuto son ligeramente menores por el propio asincronismo que indica su nombre. En estos se produce un desfase mínimo entre la velocidad de rotación (RPM) del rotor (velocidad "real" o "de salida") comparativamente con la cantidad de RPM's del campo magnético (las cuales si deberían cumplir la ecuación arriba mencionada.
Bibliografia“Electronica de potencia” Muhammad H. Rashid, 2 Edicion, Prentice Hall.www.Wikipedia.comSoftwaresAVR Studio 4Proteus
