Electronica potencia aspectos generales y convertidores elec

ELECTRÓNICA DE POTENCIA:

Aspectos Generales y Convertidores Electrónicos

Alexander Bueno MontillaUNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

Departamento de Tecnología Industrial

2

Índice general

I Conceptos Básicos 33

1. Circuitos de Primer y Segundo Orden 35

1.1. Circuito de Primer Orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

1.2. Circuito de Segundo Orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2. Fundamentos de Electricidad 39

2.1. Aspectos Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.2. Potencia Instantánea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.3. Valor Medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.4. Valor Efectivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.5. Fasor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.6. Impedancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.6.1. Reactancia Inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.6.2. Reactancia Capacitiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.7. Leyes de Kirchhoff Fasoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.8. Régimen Sinusoidal Permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.9. Potencia Aparente, Activa y Reactiva en Sistemas Sinusoidales . . . . . . . . . . . 45

2.10. Método de Mallas en Forma Matricial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.11. Método de Nodos en Forma Matricial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.12. Teorema de Thévenin y Norton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.13. Teorema de Máxima Transferencia de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.14. Sistemas Eléctricos Trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.14.1. Conexión Estrella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.14.2. Conexión Delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.14.3. Equivalente Delta Estrella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.14.4. Potencia Trifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3

4 ÍNDICE GENERAL

3. Análisis de los Circuitos Mediante Series de Fourier. 55

3.1. Serie de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.2. Expresiones de la Serie de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.3. Simetría de la Función g(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.3.1. Función Par . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.3.2. Función Impar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.3.3. Simetría de Media Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.4. Coeficientes de Fourier de Ondas Simétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.4.1. Funciones Pares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.4.2. Funciones Impares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.4.3. Funciones con Simetría de Media Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.5. Valor Efectivo o Eficaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.6. Factor de Distorsión Armónica Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.7. Factor de Rizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.8. Factor de Forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.9. Análisis de Circuitos Eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.10. Cálculo de Potencia Para Formas de Onda Periódicas No Sinusoidales . . . . . . . 61

3.10.1. Potencia Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.10.2. Potencia Aparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.10.3. Factor de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.11. Potencia de Distorsión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.12. Ejemplo de Aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4. Vectores Espaciales 67

4.1. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.2. Potencia Activa y Reactiva Instantánea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.2.1. Operación Balanceada y Desbalanceada: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.2.2. Operación Armónica: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.2.3. Operación Transitoria: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.2.4. Interpretación Física: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

ÍNDICE GENERAL 5

5. Circuitos con Interruptores 75

5.1. Definiciones: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.2. Circuito Resistivo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.3. Circuito Resistivo Capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.3.1. Resolución de la Ecuación Diferencial en Corriente . . . . . . . . . . . . . 79

5.3.2. Solución de la Ecuación Diferencial Utilizando Transformada de Laplace . 80

5.3.3. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5.4. Circuito Resistivo Inductivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.4.1. Resolución de la Ecuación Diferencial en Corriente: . . . . . . . . . . . . 82

5.4.2. Resolución de la Ecuación Diferencial por Transformada de Laplace . . . . 82

5.4.3. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.5. Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.5.1. Solución Homogénea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.5.2. Solución Particular Fuente Constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.5.3. Solución Particular (Régimen Sinusoidal Permanente) . . . . . . . . . . . 85

5.5.4. Solución Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.5.4.1. Solución Particular por el Método Clásico. . . . . . . . . . . . . 86

5.5.5. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6. Circuitos Magnéticos 87


6.2. Materiales Magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.3. Leyes de los Circuitos Magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.4. Excitación Sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.5. Transformador Ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

II Aspectos Generales y Dispositivos 95

7. Introducción 97

7.1. Reseña Histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

7.2. Funciones Básicas de los Convertidores Electrónicos de Potencia . . . . . . . . . . 99

7.3. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

7.3.1. Residencial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

7.3.2. Comercial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6 ÍNDICE GENERAL

7.3.3. Industrial: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

7.3.4. Transporte: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

7.3.5. Transmisión y Otras Utilidades: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

7.4. Dispositivos Semiconductores de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.4.1. Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.4.2. Tiristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

7.4.3. Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

7.4.4. Tiristores Auto Desactivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7.4.5. Transistores BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

7.4.6. MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

7.4.7. IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

7.4.8. SIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

7.5. Clasificación de los Semiconductores de Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7.6. Selección de Semiconductores de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

7.7. Ventajas y Desventajas de la Electrónica de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . 118

III Puentes Convertidores AC - DC 121

8. Rectificadores de Media Onda No Controlado 123


8.2. Rectificador con Carga Resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

8.2.1. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

8.2.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

8.2.3. Tensión Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

8.2.4. Corriente Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

8.2.5. Factor de Rizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

8.3. Rectificador con Carga Resistiva Inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

8.3.1. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

8.3.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131



8.3.5. Factor de Rizado en Tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

8.4. Rectificador con Carga Inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8.4.1. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

ÍNDICE GENERAL 7

8.4.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135



8.5. Rectificador con Carga Resistiva Capacitiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

8.5.1. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

8.5.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140



8.6. Rectificador con Diodo de Descarga Libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

8.6.1. Régimen transitorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

8.6.2. Estado Estacionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.6.2.1. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

8.6.2.2. Tensión Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

8.6.2.3. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

8.6.2.4. Corriente Efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

8.7. Rectificador con Carga Activa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148


8.7.2. Solución Particular Fuente Constante: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149


8.7.4. Solución Total: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

8.7.5. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

8.7.6. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152



8.8. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

9. Rectificador de Media Onda Controlado 157


9.2. Rectificador con Carga Resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

9.2.1. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

9.2.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160



9.2.5. Factor de Rizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

8 ÍNDICE GENERAL

9.3. Rectificador con Carga Resistiva Inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

9.3.1. La corriente para tα ≤ t ≤ tβ es: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

9.3.1.1. Solución Homogénea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

9.3.1.2. Solución Particular (Régimen Sinusoidal Permanente) . . . . . . 162

9.3.1.3. Solución Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

9.3.2. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

9.3.3. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164



9.3.6. Factor de Rizado en Tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

9.4. Rectificador con Carga Inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

9.4.1. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

9.4.2. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168



9.5. Rectificador con Carga Resistiva Capacitiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

9.5.1. La corriente para tα ≤ t ≤ tβ es: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

9.5.1.1. Solución Homogénea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

9.5.1.2. Solución Particular (Régimen Sinusoidal Permanente) . . . . . . 170

9.5.1.3. Solución Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

9.5.2. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

9.5.3. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172



9.6. Rectificador con Carga Activa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

9.6.1. Cálculo del límite de controlabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174




9.6.5. Solución Total: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

9.6.6. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

9.6.7. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177



9.7. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

ÍNDICE GENERAL 9

10. Rectificador de Onda Completa Monofásico 181


10.2. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

10.3. Esquema del Rectificador de Onda Completo Monofásico . . . . . . . . . . . . . . 182

10.4. Operación del Puente Rectificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

10.5. Circuito Equivalente del Puente Rectificador Monofásico . . . . . . . . . . . . . . 187

10.6. Análisis de la Condición No Continuada de Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . 188

10.6.1. Cálculo del Límite de Controlabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

10.6.2. Solución Homogénea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189



10.6.5. Solución Total: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

10.6.6. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

10.6.7. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191



10.7. Análisis de la Condición Continuada de Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192





10.7.5. Solución Total: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

10.7.6. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

10.7.7. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196



10.7.10.Análisis en Series de Fourier de la Tensión en la Carga . . . . . . . . . . . 197

10.7.10.1.Cálculo de los términos an: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

10.7.10.2.Cálculo de los términos bn: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

10.8. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

10 ÍNDICE GENERAL

11. Rectificador de Onda Completa Trifásico 203


11.2. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

11.3. Esquema del Rectificador Trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

11.4. Operación del Puente Rectificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

11.5. Análisis de la Operación del Puente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211





11.5.5. Solución Total: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

11.5.6. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

11.5.7. Corriente Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215



11.6. Manejador de Disparo de los SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

11.7. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

12. Efecto de la Inductancia del Generador en los Rectificadores 219


12.2. Rectificador Monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

12.2.1. Análisis del Proceso de Conmutación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

12.3. Rectificador Trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

12.3.1. Análisis del Proceso de Conmutación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

12.4. Sistema Alterno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

12.4.1. Puente Trifásico Controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

12.4.2. Puente Monofásico Controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

12.5. Regulación Internacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

12.6. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

13. Rectificador por Modulación de Ancho de Pulso 233

13.1. Rectificador PWM con Chopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

13.2. Rectificador PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

ÍNDICE GENERAL 11

IV Puentes Convertidores AC - AC 239

14. Controlador AC - AC 241


14.2. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

14.3. Puente Semi Controlado Monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

14.4. Puente Controlado Monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

14.4.1. Expresión de Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

14.4.2. Ángulo de Apagado (β ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

14.4.3. Límite de Controlabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247



14.4.6. Configuraciones Adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

14.5. Puente Controlado Trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

14.5.1. Configuraciones en Delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

14.6. Controlador por Modulación de Ancho de Pulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

14.7. Compensador Estático de Reactivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

14.8. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

14.8.1. Puentes monofásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

14.8.1.1. Semi Controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

14.8.1.2. Controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

14.8.2. Control de Ancho de Pulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

14.8.3. Puente Trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

V Puentes Convertidores DC -DC 265

15. Controlador DC - DC 267


15.2. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

15.3. Tipos de Convertidores DC - DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

15.3.1. Chopper Reductor o Tipo "A" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

15.3.2. Chopper Elevador o Tipo "B" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

15.3.3. Chopper Tipo "C" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

15.3.4. Chopper Tipo "D" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

12 ÍNDICE GENERAL

15.3.5. Chopper Tipo "E" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

15.3.6. Chopper a Transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

15.4. Análisis del Chopper Reductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

15.4.1. Expresión de Corriente Condición No Continuada. . . . . . . . . . . . . . 275

15.4.1.1. Corriente para 0≤ t ≤ ton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

15.4.1.2. Corriente para ton ≤ t ≤ tβ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

15.4.1.3. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

15.4.2. Expresión de Corriente Condición Continuada. . . . . . . . . . . . . . . . 276

15.4.2.1. Primer ciclo de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

15.4.2.2. Segundo ciclo de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

15.4.2.3. Régimen Permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

15.4.2.4. Tensión Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

15.5. Chopper Elevador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

15.5.1. Expresión de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

15.5.1.1. Régimen Transitorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

15.5.1.2. Régimen Permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

15.6. Frenado Eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

15.6.1. Frenado Regenerativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

15.6.2. Frenado Reostático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

15.6.3. Frenado Combinado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

15.7. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

15.7.1. Chopper Reductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

15.7.2. Chopper Elevador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

VI Puentes Convertidores DC - AC 291

16. Inversores 293


16.2. Principio de Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

16.3. Inversor Monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

16.3.1. Expresión de Corriente en Régimen Permanente . . . . . . . . . . . . . . 299


16.3.3. Expresión en Series de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

16.3.3.1. Tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

ÍNDICE GENERAL 13

16.3.3.2. Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

16.3.4. Factor de Distorsión Armónica (THD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

16.3.5. Potencia Activa de 1ra Armónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

16.4. Inversor Trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

16.4.1. Tensión en Series de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305


16.4.3. Factor de Distorsión Armónica Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

16.4.4. Modelo en Vectores Espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

16.4.4.1. Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

16.4.4.2. Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

16.5. Modulación por Ancho de Pulso (PWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

16.5.1. Índice de Modulación de Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

16.5.2. Índice de Modulación de Amplitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

16.5.3. Contenido Armónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

16.6. Modulación de Ancho de Pulso Modificada SPWM . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

16.7. Técnicas Avanzadas de Modulación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

16.7.1. Trapezoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

16.7.2. Por Inyección de Armónicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

16.7.3. Escalera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

16.7.4. Por Pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

16.7.5. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

16.8. Modulación Delta de Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

16.9. Instalación de Inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

16.10.Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

VII Especificaciones de Dispositivos Electrónicos de Potencia 343

17. Especificaciones de Componentes de Potencia 345


17.2. Tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

17.3. Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

17.4. Frecuencia de Interrupción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

17.5. Capacidad de Variación de Corriente (di/dt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

17.6. Capacidad de Variación de Tensión (dv/dt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

14 ÍNDICE GENERAL

17.7. Requisitos de Activación y Apagado de Compuerta . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

17.8. Protección con Fusible I2t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

17.9. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

17.10.Pérdidas en Diodos y Tiristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

17.10.1.Pérdidas de Conducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

17.10.2.Modelo Térmico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

17.11.Pérdidas en Transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

17.11.1.Pérdidas de Bloqueo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

17.11.2.Pérdidas de Conducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

17.11.3.Pérdidas de Conmutación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

17.11.3.1.Modelo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

17.11.3.2.Modelo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

17.11.3.3.Modelo 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

17.11.4.Pérdidas Totales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

VIII Accionamientos de Máquinas Eléctricas Rotativas 353

18. Introducción a los Sistemas con Accionamiento Eléctrico. 355


18.2. Accionamiento para Máquinas Eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

19. Sistemas Mecánicos 361


19.2. Par de Fricción o Rozamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364

19.3. Par de Torsión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364

19.4. Conversión Entre Sistemas Lineales y Rotatorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

19.5. Caja de Cambio o Engranajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

19.6. Características Mecánicas de Operación de un Accionamiento Eléctrico . . . . . . 369

19.6.1. Par acelerante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

19.6.2. Cuadrantes de Operación de un Accionamiento . . . . . . . . . . . . . . . 369

19.6.3. Par Resistente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

ÍNDICE GENERAL 15

20. Máquina de Corriente Continua 373

20.1. Principio de Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

20.2. Modelo de la Máquina de Corriente Continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

20.3. Determinación de los Parámetros del Modelo de la Máquina de Corriente Continua 378

20.4. Tipos de Conexión de la Máquina de Corriente Continua . . . . . . . . . . . . . . 379

20.4.1. Conexión Independiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

20.4.2. Conexión Paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

20.4.3. Conexión Serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

20.5. Accionamiento de las Máquinas de Corriente Continua . . . . . . . . . . . . . . . 386

21. Máquina de Inducción 391

21.1. Modelo en Vectores Espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

21.2. Modelo en Régimen Sinusoidal Permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

21.2.1. Equivalente Thévenin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

21.2.2. Característica Par Deslizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

21.2.3. Par Eléctrico Aproximado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

21.3. Parámetros del Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

21.4. Clasificación NEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

21.5. Accionamientos de la Máquina de Inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

21.5.1. Control Escalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

21.5.1.1. Arranca Suaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

21.5.1.2. Tensión - Frecuencia Constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

21.5.1.3. Accionamiento a Deslizamiento Constante . . . . . . . . . . . . 414

21.5.2. Control Vectorial por Campo Orientado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

21.5.3. Control Vectorial Directo de Par y Flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

21.5.3.1. Expresión vectorial de par eléctrico y del enlace de flujo en elestator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

21.5.3.2. Estrategia de control directo de par . . . . . . . . . . . . . . . . 424

22. La Máquina Sincrónica 431

22.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

22.2. Descripción de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

22.3. Modelo de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

22.4. Transformación a vectores espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

22.5. Transformación a coordenadas rotóricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440

16 ÍNDICE GENERAL

22.6. Transformación de Park . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

22.7. Régimen permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

22.8. Diagrama fasorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446

22.9. Potencia y par eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

22.10.Circuito equivalente de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

22.11.Máquinas de imán permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

22.11.1.Ecuaciones de la máquina sincrónica de imán permanente referidas al rotor 456

22.12.Accionamiento de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

22.12.1.Control tensión frecuencia constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

22.12.2.Control vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

22.12.3.Control Directo de Par . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

IX Bibliogarfía 467

X Anexos 471

Índice de figuras

2.1. Circuito RLC Serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.2. Equivalente de Thévenin de una red eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.3. Circuito equivalente de Thévenin con una impedancia de carga . . . . . . . . . . . 49

2.4. Esquema de una fuente de tensión trifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.1. Circuito RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.2. Gráfica de función x(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.3. Evolución de la función x(t) al considerar cada armónica. . . . . . . . . . . . . . . 65

4.1. Interpretación gráfica de la transformación de vectores espaciales . . . . . . . . . . 68

4.2. Definición clásica y vectorial de la potencia para carga puramente resistiva en con-dición de operación balanceada y desbalanceada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.3. Definición clásica y vectorial de la potencia para carga resistiva inductiva en con-dición de operación balanceada y desbalanceada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.4. Definición clásica y vectorial de la potencia para carga resistiva inductiva alimen-tada por un inversor trifásico sin control por ancho de pulso. . . . . . . . . . . . . 72

4.5. Vector espacial de potencia durante un arranque a plena tensión de una máquina deinducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.1. Circuito resistivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.2. Tensión sobre la Carga Resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.3. Corriente en la carga resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.4. Tensión en el interruptor para la carga resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.5. Tensión en la fuente para la carga resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.6. Circuito RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5.7. Tensión en la carga RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5.8. Corriente en la carga RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.9. Tensión en el interruptor con carga RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.10. Tensión de la fuente para la carga RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

17

18 ÍNDICE DE FIGURAS

5.11. Circuito RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.12. Tensión en la carga RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.13. Corriente en la carga RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.14. Circuito resistivo inductivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.15. Tensión y corriente en la carga resistiva inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.1. Esquema de un circuito magnético con entre hierro . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6.2. Característica de magnetización del material M-27 . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6.3. Análogo eléctrico del circuito magnético de la figura 6.1. . . . . . . . . . . . . . . 91

6.4. Esquema del circuito magnético de un transformador de dos devanados . . . . . . 93

7.1. Válvula de mercurio Philips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

7.2. Esquema de un tiratrón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

7.3. Conversión de energía eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

7.4. Convertidores electrónicos de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7.5. Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.6. Característica real del diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

7.7. Característica ideal del diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

7.8. Tiristor o SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

7.9. Tiristor a partir de transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7.10. Característica de los tiristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7.11. Característica ideal del tiristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

7.12. Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

7.13. Característica del triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

7.14. Característica ideal del triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7.15. Tiristores auto desactivables (símbolo y esquema) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

7.16. GTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

7.17. Característica de los tiristores auto desactivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

7.18. Característica ideal de los tiristores auto desactivables . . . . . . . . . . . . . . . . 111

7.19. Transistor NPN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

7.20. Característica del transistor NPN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

7.21. Característica ideal del transistor en corte y saturación . . . . . . . . . . . . . . . . 112

7.22. MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

7.23. Característica de operación del MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

7.24. Característica ideal de corte y saturación del MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . 114

ÍNDICE DE FIGURAS 19

7.25. IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

7.26. Característica de operación del IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

7.27. Característica ideal de corte y saturación del IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

7.28. SIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

7.29. Características de operación del SIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7.30. Intervalo de potencia de los semiconductores de potencia comerciales a principiosde siglo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

7.31. Multidisciplinaridad de la electrónica de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

8.1. Puente rectificador de media onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

8.2. Puente rectificador de media onda no controlado con carga resistiva . . . . . . . . 124

8.3. Corriente y tensión para la carga resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

8.4. Contenido armónico de la corriente y tensión en la carga resistiva . . . . . . . . . . 126

8.5. Puente rectificador de media onda no controlado con carga resistiva inductiva . . . 128

8.6. Solución gráfica a la expresión (8.14) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

8.7. Corriente y tensión en la carga RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

8.8. Contenido armónico de la corriente y tensión en la carga RL . . . . . . . . . . . . 131

8.9. Corriente media y efectiva normalizada en función del ángulo ϕ . . . . . . . . . . 133

8.10. Puente rectificador de media onda no controlado con carga inductiva . . . . . . . . 133

8.11. Corriente y tensión en la fuente y carga inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

8.12. Contenido armónico de corriente y tesnión en la carga inductiva . . . . . . . . . . 135

8.13. Puente rectificador de media onda no controlado con carga resistiva capacitiva . . . 136

8.14. Corriente y tensión en la carga resistiva capacitiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

8.15. Contenido armónico de corriente y tensión en la carga resistiva capacitiva . . . . . 139

8.16. Puente rectificador de media onda no controlado con carga resistiva inductiva ydiodo de descarga libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

8.17. Corriente por la carga resistiva inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

8.18. Corriente y tensión en la carga para un rectificador no controlado de media ondacon diodo de descarga libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.19. Corriente por el diodo pricipal y de descarga libre para la carga resistiva inductiva . 145

8.20. Contenido armónico de corriente y tensión en la carga resistiva inductiva . . . . . . 146

8.21. Puente rectifiacdor de media onda no controlado con carga activa . . . . . . . . . . 148

8.22. Corriente y tensión en la carga activa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

8.23. Contenido armónico de corriente y tensión en la carga activa . . . . . . . . . . . . 152

9.1. Esquema del rectificador de media onda controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . 157


9.2. Puente rectificador de media onda controlado con carga resistiva . . . . . . . . . . 158

9.3. Corriente y tensión en la fuente y carga resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

9.4. Contenido armónico de a corriente y la tensión para la carga resistiva . . . . . . . . 159

9.5. Puente rectificador de media onda controlado con carga resistiva inductiva . . . . . 161

9.6. Corriente y tensión en la fuente y carga resistiva inductiva . . . . . . . . . . . . . . 163

9.7. Contenido armónico de la corriente y tensión en la carga resistiva inductiva . . . . 164

9.8. Puente rectificador de media onda controlado con carga inductiva . . . . . . . . . . 166

9.9. Corriente y tensión en la carga inductiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

9.10. Contenido armónico de corriente y tensión en la carga inductiva . . . . . . . . . . 167

9.11. Puente rectificador de media onda controlado con carga resistiva capacitiva . . . . 169

9.12. Corriente y tensión en la fuente y carga resistiva inductiva . . . . . . . . . . . . . . 171

9.13. Contenido armónico de la corriente y tensión en la carga resistiva inductiva . . . . 172

9.14. Puente rectificador de media onda controlado con carga activa . . . . . . . . . . . 173

9.15. Corriente y tensión en la carga activa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

9.16. Contenido armónico de corriente y tensión en la carga activa . . . . . . . . . . . . 177

10.1. Diagrama del puente rectificador monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

10.2. Esquema del puente rectificador de onda completa monofásico . . . . . . . . . . . 182

10.3. Circulación de corriente por el puente convertidor durante el semi ciclo positivo dela fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

10.4. Circulación de corriente por el puente convertidor durante el semi ciclo negativo dela fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

10.5. Forma de onda de corriente y tensión en la carga para la condición no continuadade corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

10.6. Forma de onda de corriente y tensión en la carga para la condición continuada decorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

10.7. Oscilo grama de corriente y tensión para la condición no continuada de corrienteen la fuente de alimentación alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

10.8. Oscilo grama de corriente y tensión para la condición continuada de corriente en lafuente de alimentación alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

10.9. Espectro armónico de corriente y tensión para la condición no continuada en lalínea de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

10.10.Espectro armónico de corriente y tensión para la condición continuada en la líneade corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

10.11.Circuito equivalente del rectificador de onda completa monofásico . . . . . . . . . 187

10.12.Puente rectificador de media onda no controlado con carga activa . . . . . . . . . . 188


11.1. Diagrama del puente rectificador trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

11.2. Tensiones fase neutro del generador trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

11.3. Tensiones línea a línea del generador trifásico con sus complementos . . . . . . . . 205

11.4. Corriente y tensión en la carga RLE del puente trifásico . . . . . . . . . . . . . . . 206

11.5. Detalle del régimen permanente de la corriente y tensión en la carga RLE del puentetrifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

11.6. Corriente por los tiristores del puente trifásico en régimen permanente . . . . . . . 207

11.7. Corriente en las fases del generador en régimen permanente de operación . . . . . 208

11.8. Contenido armónico de la corriente en las fases del generador . . . . . . . . . . . . 209

11.9. Secuencia de encendido de los tiristores para el puente rectificador de seis pulsos . 209

11.10.Forma de onda de tensión y corriente en el sistema de alimentación del rectificadorde diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

11.11.Contenido armónico introducido al sistema por la opración del rectificador de diodos210

11.12.Manejador de disparo para tiristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

12.1. Modelo ”Γ” del transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

12.2. Puente rectificador monofásico con inductancia en la fuente . . . . . . . . . . . . . 220

12.3. Tensión en la barra de continua y corriente durante el proceso de conmutación . . . 221

12.4. Esquema del puente rectificador trifásico no controlado con inductancia en la fuente 222

12.5. Circuito equivalente del puente rectificador para la conmutación de los diodos D1y D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

12.6. Tensión en la barra de corriente continua y corriente por los diodos D1 y D3 . . . . 224

12.7. Tensión en la carga y bornes de un rectificador trifásico con fuente no ideal . . . . 225

12.8. Tensión en la carga y bornes de un rectificador trifásico con fuente no ideal "detalle" 226

12.9. Tensión en la carga y bornes de un rectificador monofásico con fuente no ideal . . 227

12.10.Tensión en la carga y bornes de un rectificador monofásico con fuente no ideal"detalle" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

12.11.Definición de %pm y AN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

13.1. Rectificador PWM con chopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

13.2. Esquema de control del rectificador PWM con chopper . . . . . . . . . . . . . . . 234

13.3. Rectificador PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

13.4. Esquema de control del rectificador PWM monofásico . . . . . . . . . . . . . . . 236

13.5. Esquema de control del rectificador PWM trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

13.6. Forma de onda de tensión y corriente en el sistema que alimenta un rectificadortrifásico por PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237


13.7. Contenido armónico de la tensión y corriente en el sistema que alimenta un rectifi-cador trifásico por PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

14.1. Controlador AC - AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

14.2. Formas de onda de corriente y tensión sobre la carga para el puente semi controlado 242

14.3. Corriente por las componentes del puente semi controlado . . . . . . . . . . . . . 243

14.4. Espectro armónico de corriente y tensión sobre la carga para el puente semi controlado243

14.5. Formas de onda de corriente y tensión sobre la carga para el puente controlado . . . 244

14.6. Corriente por las componetes del controlador AC-AC controlado . . . . . . . . . . 245

14.7. Espectro armónico de corriente y tensión sobre la carga para el puente controlado . 245

14.8. Configuraciones adicionales del controlador AC - AC monofásico. . . . . . . . . . 248

14.9. Esquema del puente controlador AC - AC trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

14.10.Formas de onda de corriente y tensión sobre la carga para el puente trifásico . . . . 250

14.11.Corriente en las componentes de la fase "a" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

14.12.Contenido armónico de la corrinte y tensión para el puente trifásico . . . . . . . . 251

14.13.Puente convertidor trifásico para conexión de neutro. . . . . . . . . . . . . . . . . 251

14.14.Puente controlador AC-AC trifásico en delta (carga y convertidor) . . . . . . . . . 252

14.15.Puente controlador AC-AC trifásico en delta (convertidor) . . . . . . . . . . . . . 252

14.16.Puente controlador AC-AC con control por PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

14.17.Corriente y tensión en la carga para un controlador AC-AC por PWM . . . . . . . 254

14.18.Contenido armónico de corrientes y tensiones para el controlador AC - AC por PWM255

14.19.Corrientes por las componentes del controlador AC-AC por PWM . . . . . . . . . 255

14.20.Esquema del compensador estático de reactivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

15.1. Tensión sobre la carga de un controlador DC - DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

15.2. Chopper tipo "A" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

15.3. Chopper tipo "B" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

15.4. Chopper tipo "C" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

15.5. Chopper tipo "D" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

15.6. Chopper tipo "E" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

15.7. Chopper a transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

15.8. Chopper reductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

15.9. Corriente y tensión en la carga para un chopper reductor en condición no continua-da de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

15.10.Corrientes en las componentes del chopper reductor en condición no continuada decorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273


15.11.corriente y tensión en la carga para un chopper reductor en condición continuadade corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

15.12.Corriente en las componentes del chopper reductor en condición continuada decorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

15.13.Esquema del chopper elevador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

15.14.Corriente y tensión en la carga para un chopper elevador . . . . . . . . . . . . . . 280

15.15.Corriente en las componentes del chopper elevador . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

15.16.Esquema de frenado regenerativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

15.17.Esquema de frenado reostático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

15.18.Esquema de frenado combinado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

16.1. Esquema del Inversor Monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

16.2. Topología de los Interruptores Para Obtener Tensión Positiva en la Carga . . . . . . 294

16.3. Topología de los interruptores para obtener tensión negativa en la carga . . . . . . 294

16.4. Topología de los interruptores para obtener tensión cero en la carga . . . . . . . . . 295

16.5. Tensión en la carga para un inversor monofásico en operación de 2 estados . . . . . 296

16.6. Tensión en la carga para un inversor monofásico en operación de 3 estados . . . . . 297

16.7. Eliminación de armónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

16.8. Inversor monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

16.9. Tensión y corriente en la carga para un inversor de media onda . . . . . . . . . . . 299

16.10.Tensión y corriente en la carga para un inversor de onda completa . . . . . . . . . 300

16.11.Inversor trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

16.12.Sistema de tensiones trifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

16.13.Sistema de tensiones trifásicas sin presencia de tercer armónico . . . . . . . . . . . 304

16.14.Contenido armónica del sistema de tensiones trifásicas con y sin tercer armónico . 305

16.15.Tensión espacial del inversor trifásico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

16.16.Esquema del inversor trifásico con operación complementaria de interruptores . . . 307

16.17.Tensiones fase neutro del inversor trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

16.18.Detalle de la tensión en la fase "a" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

16.19.Inversor con carga activa y/o pasiva trifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

16.20.Vector espacial de tensión y corriente en la carga RL . . . . . . . . . . . . . . . . 313

16.21.Tensión y corriente en la fase "a" de la carga RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

16.22.Espectro armónico de tensión y corriente en la fase "a" de la carga RL . . . . . . . 314

16.23.Modulación PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

16.24.Contenido armónico de la modulación PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317


16.25.Modulación SPWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

16.26.Contenido armónico de la modulación SPWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

16.27.Modulación trapezoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

16.28.Contenido armónico para la modulación PWM con referencia trapezoidal . . . . . 323

16.29.Modulación por inyección de armónicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

16.30.Contenido armónico para la modulación PWM con referencia armónica . . . . . . 325

16.31.Modulación escalera unipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

16.32.Modulación escalera bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

16.33.Contenido armónica de la modulación escalera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

16.34.Modulación PWM con referencia a pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

16.35.Contenido armónico para la modulación PWM con referencia por pasos . . . . . . 332

16.36.Corriente de referencia y real en un inversor monofásico accionado por modulacióndelta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

16.37.Tensión en la carga del inversor monofásico accionado por modulación delta . . . 334

17.1. Característica de conducción del diodo y tiristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

17.2. Modelo térmico del diodo y tiristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

17.3. Tensión y corriente durante el encendido de un transistor "Modelo 1" . . . . . . . 350



18.1. Esquema de un accionamiento eléctrico de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

18.2. Multidisciplinaridad de las accionamientos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . 358

19.1. Sistema mecánico lineal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

19.2. Sistema mecánico rotacional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

19.3. Sistema mecánico de un accionamiento eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

19.4. Característica de fricción de un accionamiento eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . 364

19.5. Par de torsión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

19.6. Equivalente eléctrico de la figura19.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

19.7. Esquema de una banda transportadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

19.8. Esquema de una caja de cambios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

19.9. Cuadrantes de operación de un accionamiento eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . 370

19.10.Características par resistente velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

20.1. Principio de funcionamiento de las máquinas eléctricas rotativas . . . . . . . . . . 373


20.2. Esquema del circuito magnético del estator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

20.3. Esquema del circuito magnético del rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

20.4. Esquema de rotación de la máquina eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

20.5. Máquina de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

20.6. Esquema de la máquina de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

20.7. Modelo de la máquina de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

20.8. Curva par velocidad de la MCC en conexión independiente . . . . . . . . . . . . . 380

20.9. Control de velocidad de la MCC en conexión independiente . . . . . . . . . . . . 381

20.10.Modelo eléctrico de la MCC conexión paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

20.11.Curva par velocidad de la MCC en conexión paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . 383

20.12.Control de velocidad de la MCC en conexión paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . 384

20.13.Modelo eléctrico de la MCC conexión serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

20.14.Curva par velocidad de la MCC en conexión serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

20.15.Control de velocidad de la MCC en conexión serie . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

20.16.Característica de accionamiento de la máquina de corriente continua . . . . . . . . 387

20.17.Accionamiento de la máquina de corriente continua. . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

20.18.Corriente de armadura y velocidad mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

20.19.Tensión de armadura y ángulo de disparo del rectificador . . . . . . . . . . . . . . 388

20.20.Corriente de armadura y velocidad mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

20.21.Tensión de armadura y razón de conducción del chopper . . . . . . . . . . . . . . 390

21.1. Esquema de la máquina de inducción y de sus tipos de rotor . . . . . . . . . . . . 391

21.2. Esquema de la máquina de inducción trifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392

21.3. Modelo en vectores espaciales de la máquina de inducción referido al estator . . . 396

21.4. Modelo en régimen sinusoidal permanente de la máquina de inducción . . . . . . . 399

21.5. Equivalente Thévenin propuesto de la máquina de inducción . . . . . . . . . . . . 400

21.6. Equivalente Thévenin de la máquina de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

21.7. Curva par deslizamiento de la máquina de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . 401

21.8. Curva par deslizamiento zona no lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

21.9. Curva par deslizamiento zona lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

21.10.Clasificación NEMA de la máquina de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

21.11.Característica de tracción y frenado de un motor de inducción . . . . . . . . . . . . 406

21.12.Esquema del arranca suave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

21.13.Esquema de control de un arranca suave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407


21.14.Característica de par y corriente para una máquina de inducción accionada con unaarranca suave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

21.15.Característica par eléctrico velocidad para una máquina de inducción con controlde tensión - frecuencia constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408

21.16.Variador de velocidad por control de tensión - frecuencia constante. . . . . . . . . 409

21.17.Velocidad mecánica, par y tensión de la barra de continua para el accionamiento detensión frecuencia constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

21.18.Tensión y corriente en la fase “a” del motor de inducción para el accionamiento detensión frecuencia constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410

21.19.Tensión y corriente en la fase “a” de la fuente alterna para el accionamiento detensión frecuencia constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411

21.20.Velocidad mecánica, par y tensión de la barra de continua para el accionamiento detensión frecuencia constante con SPWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

21.21.Tensión y corriente en la fase “a” del motor de inducción para el accionamiento detensión frecuencia constante con SPWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

21.22.Tensión y corriente en la fase “a” de la fuente alterna para el accionamiento detensión frecuencia constante con SPWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

21.23.Variador de velocidad a deslizamiento constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

21.24.Controlador de velocidad en coordenadas de campo orientado. . . . . . . . . . . . 417

21.25.Diagrama de bloques del controlador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418

21.26.Corriente de magnetización de referencia en función de la velocidad mecánica delrotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

21.27.Velocidad mecánica, par y tensión de la barra de continua para el accionamiento decampo orientado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

21.28.Tensión y corriente en la fase “a” del motor de inducción para el accionamiento decampo orientado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

21.29.Tensión y corriente en la fase “a” de la fuente alterna para el accionamiento decampo orientado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

21.30.Diagrama en bloques del controlador directo de par. . . . . . . . . . . . . . . . . . 424

21.31.(a) Trayectoria del vector especial del enlace de flujo del estator, (b) variación delenlace de flujo en función del vector espacial de tensión del inversor. . . . . . . . . 425

21.32.Velocidad mecánica, par y tensión de la barra de continua para el accionamiento deDTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428

21.33.Tensión y corriente en la fase “a” del motor de inducción para el accionamiento deDTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

21.34.Tensión y corriente en la fase “a” de la fuente alterna para el accionamiento de DTC 430

22.1. Plantas hidroeléctricas y térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432

22.2. Partes de las máquinas sincrónicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433


22.3. Esquema básico de una máquina sincrónica trifásica de polos salientes . . . . . . . 434

22.4. Modelo en coordenadas dq0− f de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . 444

22.5. Diagrama fasorial de la máquina sincrónica de polos salientes en convención motor 447

22.6. Diagrama fasorial de la máquina sincrónica de polos salientes en la convencióngenerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

22.7. Potencia eléctrica de la máquina sincrónica de polos salientes . . . . . . . . . . . . 450

22.8. Variación de la potencia eléctrica con el ángulo de carga y punto de máxima potencia451

22.9. Circuitos equivalente de la máquina sincrónica en convención motor . . . . . . . . 452

22.10.Característica de magnetización de los imanes permanentes. . . . . . . . . . . . . 454

22.11.Característica de remanencia del imán permanente. . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

22.12.Esquema de montaje de los imanes permanentes en el rotor. . . . . . . . . . . . . . 455

22.13.Máquina sincrónica de imán permanente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

22.14.Esquema del accionamiento v/ f = cte para máquinas sincrónicas . . . . . . . . . 457

22.15.Características par velocidad para el accionamiento v/ f = cte de la máquina sin-crónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457

22.16.Diagrama de control vectorial de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . . . . 458

22.17.Velocidad mecánica, par eléctrico y flujo del estator para el accionamiento de lamáquina sincrónica de polos salientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459

22.18.Tensión y corriente en la fase “a” del motor para el accionamiento de la máquinasincrónica de polos salientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

22.19.Tensión y corriente en la fase “a” y Tensión en la barra de corriente continua delrectificador de la fuente alterna el accionamiento de la máquina sincrónica de polossalientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

22.20.Velocidad mecánica y par eléctrico para el accionamiento de la máquina sincrónicade imán permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462

22.21.Tensión y corriente en la fase “a” del motor para el accionamiento de la máquinasincrónica de imán permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463

22.22.Tensión y corriente en la fase “a” de la fuente alterna el accionamiento de la má-quina sincrónica de polos salientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

22.23.Diagrama de control directo de par de la máquina sincrónica . . . . . . . . . . . . 465


Índice de cuadros

1.1. Forma de las soluciones particulares para ecuaciones diferenciales . . . . . . . . . 36

6.1. Parámetros equivalentes entre los circuitos eléctrico y magnéticos . . . . . . . . . 91

6.2. Leyes equivalentes entre los circuitos eléctricos y magnéticos . . . . . . . . . . . . 91

7.1. Tipos de diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

7.2. Tipos de tiristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

7.3. Tipos de triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7.4. Tipos de tiristores auto desactivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

7.5. Tipos de transistores BJT de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

7.6. Tipos de transistores MOSFET de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

7.7. Tipos de transistores IGBT de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

7.8. Tipos de transistores SIT de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7.9. Características de conmutación de los semiconductores de potencia . . . . . . . . . 118

12.1. Límites de distorsión por muesca para sistemas de baja tensión . . . . . . . . . . . 228

16.1. Secuencia de Disparo del Inversor Monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

16.2. Vectores espaciales de tensiones del inversor trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . 308

16.3. Impedancias operacionales en conexión estrella y delta . . . . . . . . . . . . . . . 313

16.4. Característica de la modulación PWM para referencia sinusoidal con ma = 1 ym f = 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

16.5. Característica de la modulación SPWM para referencia sinusoidal con ma = 1 ym f = 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

16.6. Característica de la modulación PWM para referencia trapezoidal . . . . . . . . . . 321

16.7. Característica de la modulación PWM para referencia por inyección de armónicas . 323

16.8. Característica de la modulación PWM para referencia escalonada . . . . . . . . . . 326

16.9. Característica de la modulación PWM para referencia por pasos . . . . . . . . . . 330

16.10.Modulaciones PWM para las diferentes referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

29

30 ÍNDICE DE CUADROS

18.1. Puentes convertidores utilizados en accionamientos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

21.1. Valores en por unidad de la máquina de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

21.2. Secuencia de disparo del inversor para el controlador directo de par. . . . . . . . . 426

22.1. Rango típico de los valores de las inductancias de la máquina sincrónica de polossalientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

22.2. Secuencia de disparo del inversor para el controlador directo de par de la máquinasincrónica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

Lista de algoritmos

1. Cálculo del ángulo de apagado y corriente media y efectiva para carga RL en puen-tes rectificadores de media onda no controlados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

2. Función "eind.m" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1543. Cálculo del ángulo de apagado y corriente media y efectiva para carga activa en

puentes rectificadores de media onda no controlados . . . . . . . . . . . . . . . . . 1544. Función "eindg.m" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1555. Puente rectificador de media onda no controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1556. Puente rectificador de media onda no controlado con diodo de descarga libre . . . . 1567. Cálculo del ángulo de apagado y corriente media y efectiva para carga activa en

puentes rectificadores de media onda controlados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1798. Función "eindg.m" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1799. Puente rectificador de media onda controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18010. Puente rectificador monofásico controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20011. Puente rectificador monofásico no controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20112. Puente rectificador trifásico controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21713. Puente rectificador trifásico no controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21814. Rectificador trifásico controlado con carga activa e inductancia de fuente . . . . . . 23015. Rectificador monofásico controlado con carga activa e inductancia de fuente . . . . 23116. Puente convertidor AC-AC semi controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25717. Puente convertidor AC-AC controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25818. Cálculo de puente convertidor AC-AC controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25919. Modelo puente controlador AC-AC por PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26020. Función de integración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26121. Cálculo de tensión efectiva y THD para el controlador AC-AC por PWM . . . . . . 26222. Convertidor AC-AC trifásico controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26323. Chopper reductor condición continuada de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . 28824. Chopper elevador en régimen permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28925. Inversor monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33626. Inversor trifásico modelado en vectores espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33727. Rutina de integración de paso fijo "ode1.m" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33828. Cálculo del contenido armónico de las diferentes modulaciones para cada referencia 33929. Cálculo del contenido armónico de las modulación SPWM . . . . . . . . . . . . . 34030. Inversor monofásico accionado por modulación delta . . . . . . . . . . . . . . . . 341

31

32 LISTA DE ALGORITMOS

Parte I

Conceptos Básicos

33

Capítulo 1

Circuitos de Primer y Segundo Orden

1.1. Circuito de Primer Orden

Los circuitos de primer orden presentan una ecuación diferencial de la siguiente forma:

g(t) = Adx(t)

dt+Bx(t) (1.1)

Para solucionar la ecuación diferencial de la expresión 1.1, se debe encontrar los modos naturalesde oscilación del sistema que son la solución de la ecuación homogénea de la siguiente forma:

Adx(t)dt =−Bx(t)

dx(t)dt =−B

Ax(t)dx(t)x(t) =−B

Adt∫ dx(t)x(t) =−

∫ BAdt

ln(x(t)) =−BAt +Cte

eln(x(t)) = e(−BA t+Cte)

xh(t) = e−BA teCte = ke−

BA t

xh(t) = ke−tτ

(1.2)

τ =AB

(1.3)

donde:

τ: Es la constante de tiempo del circuito. Para los circuitos RC y RL la constante detiempo son τ = RC y τ = L/R respectivamente.

La solución particular de la ecuación diferencial de la expresión 1.1 debe poseer la misma formaque la función farsante g(t) y debe satisfacer la ecuación diferencial. La solución particular sepuede obtener de la siguiente tabla de soluciones:

35

36 CAPÍTULO 1. CIRCUITOS DE PRIMER Y SEGUNDO ORDEN

Tabla 1.1: Forma de las soluciones particulares para ecuaciones diferenciales

Forma de la Excitación g(t) Forma de la Solución Particular xp(t)K0 AK0t At +B

K0 +K1t At +BK0 +K1t +K2t2 At2 +Bt +CK0e−bt (b 6= 1

τ

)Ae−bt

K0e−1τ

t At · e− 1τ

t

K0 sin(bt) Asin(bt)+Bcos(bt)K0 cos(bt) Asin(bt)+Bcos(bt)

Los coeficientes de la solución particular se determinan al sustituir la forma de la solución en laecuación diferencial e igualando termino a termino. La solución total a la ecuación diferencial dela expresión 1.1 es la suma de la solución homogénea y particular. Los coeficientes de la soluciónhomogénea se determinan a partir de las condiciones iniciales del circuito.

1.2. Circuito de Segundo Orden

Los circuitos de segundo orden presentan una ecuación diferencial de la siguiente forma:

g(t) = Ad2x(t)

dt2 +Bdx(t)

dt+Cx(t) (1.4)

Para resolver la ecuación diferencial, al igual que el caso anterior es necesario encontrar los modosnaturales de oscilación del sistema mediante la solución de la ecuación característica de la expresión1.4.

As2 +Bs+C = 0 (1.5)

La ecuación característica 1.5 puede ser resuelta utilizando la solución o resolverte de la ecuaciónde segundo grado o cuadrática de la siguiente forma:

s1,2 =−B±

√B2−4AC

2A(1.6)

Los modos naturales de oscilación o la solución homogénea de la expresión 1.4, depende de laforma de las raíces s1, s2. Estas raíces pueden ser de tres formas: reales y diferentes, reales eiguales o complejas conjugadas.

xh(t) = k1es1t + k2es2t → (s1 6= s2) ∈ Rxh(t) = k1e−st + k2t es2t → (s1 = s2) ∈ R

xh(t) = eσt (k1 cos(ωt)+ k2 sin(ωt)) → (s1,2 = σ ± jω) ∈ Z(1.7)

1.2. CIRCUITO DE SEGUNDO ORDEN 37

La solución particular a la ecuación diferencial 1.4 a igual que los valores de las constantes kn, seobtienen mediante el mismo procedimiento que para el caso de ecuaciones diferenciales de primerorden. Alguno autores denominan las soluciones homogéneas de la ecuación diferencial de segundoorden, de acuerdo a su respuesta al escalón (u(t)) como:

Sobreamortiguado: (s1 6= s2) ∈ RCríticamente amortiguado: (s1 = s2) ∈ R

Subamortiguado: (s1,2 = σ ± jω) ∈ Z

38 CAPÍTULO 1. CIRCUITOS DE PRIMER Y SEGUNDO ORDEN

Capítulo 2

Fundamentos de Electricidad

2.1. Aspectos Generales

En este capítulo se realizara un resumen de los conceptos básicos de electricidad necesarios paralos diferentes temas que se abordaran a lo largo de los diferentes capítulos de conversión de energíaeléctrica a través de puentes electrónicos de potencia.

Entre los conceptos que a repasar tenemos:

Potencia instantánea para sistemas eléctricos y físicos.

Valor medio y efectivo de una señal.

Concepto y utilización de fasor.

Definición de impedancia.

Leyes de Kirchhoff.

Método de mallas y nodos.

Teorema de Thévenin, Norton y máxima transferencia de potencia.

Régimen sinusoidal permanente y sistemas eléctricos monofásicos.

Potencia activa y reactiva de un sistema eléctrico.

Sistemas eléctricos trifásicos.

2.2. Potencia Instantánea

La potencia instantánea de un puerto eléctrico o mecánico se calcula como el producto instantáneode la variable entre y la variable a través del puerto. En el caso de electricidad la variable entrecorresponde a la tensión, mientras que la variable a través corresponde a la corriente. En los sis-temas mecánicos las definición de estas variables son Velocidad para la variable entre y Fuerza o

39

40 CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD

Par para la variable a través. El concepto de variable entre y a través esta íntimamente ligado conla forma de realizar la medición de estas. En el caso de la variable entre que requiere un punto opatrón de referencia para realizar la medición, este es el caso de la tensión que se mide con respectoa dos puntos.

p(t) = v(t)i(t)p(t) = ν(t)F(t)p(t) = ω(t)τ(t)

(2.1)

Donde:

v(t): Tensión.

i(t): Corriente.

ν(t): Velocidad lineal.

F(t): Fuerza.

ω(t): Velocidad angular.

τ(t): Par.

2.3. Valor Medio

El valor medio de una señal periódica g(t) corresponde a valor de corriente continua de la señal yes el promedio ponderado en un periodo de los valores de esta. Se calcula como:

GDC = G0 =1T

∫ T

0g(t)dt (2.2)

2.4. Valor Efectivo

El valor efectivo o eficaz de una señal es conocido también como valor cuadrático medio o rms. Elvalor eficaz de una señal periódica se basa en el concepto de potencia media o promedio entregada.En el caso de circuitos eléctricos, con una tensión continua aplicada sobre los terminales de unaresistencia, la potencia media se calcula como:

P0 =V 2

DCR

(2.3)

Para el caso de una tensión periódica aplicada sobre los terminales de la resistencia, la tensión eficazo el valor eficaz de la señal se define como la tensión que proporciona la misma potencia mediaque la tensión de continua. La tensión eficaz se puede calcular utilizando la siguiente expresión.

P0 =V 2

rmsR

(2.4)

2.5. FASOR 41

Si calculamos la potencia media en una resistencia a partir de la expresión 2.1 y 2.2, se obtiene:

P0 =1T

∫ T

0p(t)dt =

1T

∫ T

0v(t)i(t)dt =

1T

∫ T

0

v(t)R

dt =1R

[1T

∫ T

0v(t)2dt

](2.5)

Igualando las expresiones de potencia media de las expresiones 2.4 y 2.5 se obtiene:

P0 =V 2

rmsR

=1R

[1T

∫ T

0v(t)2dt

](2.6)

donde la expresión de la tensión eficaz o rms es:

Vrms =

√1T

∫ T

0v(t)2dt (2.7)

El valor efectivo o eficaz de una señal es la raíz cuadrada del valor medio del cuadrado de la señal,expresión que en inglés da lugar a rms (root mean square).

Grms =

√1T

∫ T

0g(t)2dt (2.8)

Por ejemplo el valor efectivo de una señal sinusoidal de la forma: g(t) = Asin(ωt +η) es:

Grms =

√1

2π

∫ 2π

0(Asin(ωt +η))2 dt (2.9)

Aplicando la identidad del ángulo doble en la expresión 2.9 se obtiene:

Grms =√

12π

∫ 2π

0

[A2(

1−cos(2(ωt+η))2

)]dt

Grms = A√

14π

([ωt− sin(2(ωt +η))]|) = A√2

(2.10)

2.5. Fasor

Un fasor es la representación a través de un número complejo de una magnitud sinusoidal que varíaen el tiempo. Para una función sinusoidal g(t) de la forma g(t) = Asin(ωt +η) se puede escribeen función del valor efectivo, de la fase de la función g(t) y de la ecuación de Euler como:

g(t) = ℑm[

A√2

e j(ωt+η)]

= ℑm[(

A√2

e jη)

e jωt]

= ℑm[(

A√2]η

)e jωt

]= ℑm

[(G)

e jωt](2.11)

donde el fasor es:


G = Grmse jη = Grms]η

Para funciones cosenoidales la representación es similar pero se utiliza la parte real del númerocomplejo.

2.6. Impedancia

Es la relación que existe entre el fasor de tensión y corriente en los terminales de un dispositivo.

Z =VI

= R+ jX (2.12)

Donde:

R: Resistencia.

X : Reactancia.

2.6.1. Reactancia Inductiva

Si alimentamos un inductor con una corriente sinusoidal de la forma i(t) = I sin(ωt) la tensiónentre sus terminales viene dada por:

vL(t) = Ldidt

= LωI cos(ωt) = LωI sin(

ωt +π

2

)(2.13)

Calculando los fasor de tensión y corriente en la bobina se obtiene la impedancia.

Z =LωIrms]π

2Irms

= Lωe j π

2 = jXL = jωL (2.14)

donde:

XL = ωL

2.6.2. Reactancia Capacitiva

Si alimentamos un capacitor con una tensión sinusoidal de la forma v(t) = V sin(ωt)la corrienteque circula por el, viene dada por:

ic(t) = Cdvdt

= CωV cos(ωt) = CωV sin(

ωt +π

2

)(2.15)

Calculando los fasor de tensión y corriente en el capacitor se obtiene la impedancia.

2.7. LEYES DE KIRCHHOFF FASORIALES 43

Z =Vrms

CωVrms]π

2=

1ωC

e j π

2 =− jXC =− j1

ωC

donde:

XC =− 1ωC

2.7. Leyes de Kirchhoff Fasoriales

En un nodo de un circuito eléctrico, la suma algebraica de las corrientes es igual a cero.

N

∑i=1

Im = 0 (2.16)

La suma algebraica de las "N" fuerzas electromotrices de una malla de un circuito eléctrico, es iguala la suma algebraica de las "M" caídas de tensión correspondientes a cada uno de los elementospasivos en la malla.

N

∑i=1

Ei =M

∑i=1

Zi · Ii (2.17)

2.8. Régimen Sinusoidal Permanente

Este método nos permite encontrar la respuesta en régimen permanente de circuitos eléctricos ali-mentados con fuentes sinusoidales, utilizando los conceptos de fasor e impedancia. En la figura 2.1,se muestra un circuito resistivo, inductivo y capacitivo serie alimentado por una fuente de tensiónsinusoidal.

Para encontrar la corriente en régimen permanente o estacionario que circula por el circuito de lafigura 2.1, ante una alimentación sinusoidal de la forma: v f (t) =

√2V sin(ωt +η), se calculara el

fasor de corriente en función del fasor de tensión y la impedancia del circuito utilizando la ley deOhm.


Figura 2.1: Circuito RLC Serie

Se calcula el fasor de tensión utilizando la definición de la ecuación 2.11 en función del valorefectivo de la sinusoide y de la fase de la onda:

V = Vrms]η (2.18)

Calculamos la impedancia total del circuito para la frecuencia angular ω que corresponde a lafrecuencia de alimentación de la sinusoidal:

Z = R+ j (XL−Xc) = R+ j(

ωL− 1ωC

)= |Z|e jϕ = |Z|]ϕ (2.19)

donde:

|Z|=√

R2 + j (XL−Xc)2 =

√ℜe(Z)2 +ℑm(Z)2

ϕ = arctan(

ℑm(Z)ℜe(Z)

)Utilizando la definición de impedancia de la expresión 2.12, se puede calcular el fasor de corrienteen el circuito.

I =VZ

=Vrms]η

|Z|]ϕ=

Vrms

|Z|](η−ϕ) = Irms](η−ϕ) (2.20)

Con el fasor de corriente y la definición del fasor de la expresión 2.11, se puede encontrar lacorriente en el dominio del tiempo que circula por el circuito.

i(t) =√

2Vrms

|Z|sin(ωt +η−ϕ) (2.21)

2.9. POTENCIA APARENTE, ACTIVA Y REACTIVA EN SISTEMAS SINUSOIDALES 45

2.9. Potencia Aparente, Activa y Reactiva en Sistemas Sinu-soidales

En los circuitos lineales alimentados por generadores sinusoidales, todas las tensiones y corrientesen régimen permanente son sinusoidales. La potencia instantánea y media se puede calcular a partirde las expresiones 2.1 y2.2. Para cualquier elemento del circuito supongamos que la tensión ycorriente son de la forma:

v(t) =√

2Vrms sin(ωt +ψ)i(t) =

√2Irms sin(ωt +φ)

(2.22)

La potencia instantánea es:

p(t) = v(t)i(t) =(√

2Vrms sin(ωt +ψ))(√

2Irms sin(ωt +φ))

(2.23)

Utilizando la identidad trigonométrica:

sin(a)sin(b) =12

(cos(a−b)− cos(a+b)) (2.24)

p(t) = 22VrmsIrms [cos(ωt +ψ−ωt−φ)− cos(ωt +ψ +ωt +φ)]p(t) = VrmsIrms [cos(ψ−φ)− cos(2ωt +ψ +φ)]

(2.25)

La potencia media es:

P = 1T∫ T

0 p(t)dt = VrmsIrmsT

∫ T0 [cos(ψ−φ)− cos(2ωt +ψ +φ)]dt

P = VrmsIrms cos(ψ−φ)(2.26)

La potencia compleja S se define como:

S = V I∗ = Vrmse jψ(

Irmse− jφ)∗

= Vrmse jψ Irmse jφ = Se j(ψ−φ) = P+ jQ (2.27)

La magnitud del número complejo que define la potencia se denomina potencia aparente y es ex-presada en unidades de volta-amperes [VA].

S = VrmsIrms (2.28)

La parte real de la potencia compleja es la correspondiente a la potencia activa promedio. Estapotencia promedio es la que realiza el trabajo en el circuito y sus unidades son los vatios [W].

P = ℜe(S)

= VrmsIrms cos(ψ−φ) (2.29)

La parte imaginaria de la potencia compleja es la correspondiente a la potencia reactiva promedio.Esta potencia promedio es la necesaria para mantener los campos magnéticos y/o eléctricos en elcircuito y sus unidades son los volta-amperes-reactivos [VAr].


Q = ℑm(S)

= VrmsIrms sin(ψ−φ) =√

S2−P2 (2.30)

El factor de potencia es una medida de la cantidad de potencia la cual es capaz de transferir energíao trabajo en el circuito, en relación a la potencia total o aparente del mismo circuito. El factor depotencia se considera en "retraso" o "inductivo" si la Q es positiva. Si la Q es negativa el factor depotencia se considera en "adelanto" o "capacitivo".

f p =PS

(2.31)

A nivel industrial, comercial y residencial se busca que el factor de potencia sea lo más cercano auno posible con la finalidad de que la energía producida sea utilizada al máximo en el proceso derealización de trabajo.

2.10. Método de Mallas en Forma Matricial

La forma matricial para la ley de Ohm para circuitos exclusivamente con fuentes de tensión inde-pendientes e impedancias se escribe como:

[V]= [Z] ·

[I]

(2.32)

La forma expandida de la ecuación 2.32, es:V1V2...

VN

=

Z11 Z12 Z13 · · · Z1NZ21 Z22 Z23 · · · Z2N· · · · · · · · · · · · · · ·ZN1 ZN2 ZN3 · · · ZNN

·

I1I2...

IN

(2.33)

El elemento Z11(fila 1, columna 1) es la suma de todas las impedancias a través de las cuales pasala corriente I1 de la malla, de manera similar Z22, · · · , ZNN , llevan signo positivo.

El elemento Z12(fila 1, columna 2) es la suma de todas las impedancias a través de las cuales pasanla corriente de malla I1 y I2.

El signo de Z12 es "+" si las dos corrientes están en la misma dirección y el signo es "-" si es-tán en dirección opuesta. De modo análogo los elementos Z21, Z23, Z32, etc., son la suma de lasimpedancias comunes a las dos corrientes de malla indicadas por los subíndices, con los signosdeterminados como se describió antes para Z12. La matriz Z es simétrica por lo tanto:

Zi j = Z ji (2.34)

La tensión V1 del vector V corresponde a la suma de todas las fuentes de fuerza electromotriz queimpulsan corriente de malla I1. Una tensión se toma positiva si I1 pasa de "-" a "+", es decir, hay una"subida"; de lo contrario se considera negativa. Cada elemento del vector de corriente (Ii) identificala corriente en cada una de las mallas.

2.11. MÉTODO DE NODOS EN FORMA MATRICIAL 47

La corriente en cada malla se puede calcular resolviendo la ecuación 2.32 como:

[I]= [Z]−1 ·

[V]

(2.35)

2.11. Método de Nodos en Forma Matricial

La forma matricial para la ley de Ohm para admitancias, tensiones y corrientes es:

[Ibarra

]= [Ybarra] ·

[Vbarra

](2.36)

Las admitancias son el inverso de las impedancias.

Yi =1Zi

(2.37)

La forma expandida de la ecuación 2.36, es:˜Ibarra1

Ibarra2...

IbarraN

=

Y11 Y12 Y13 · · · Y1NY21 Y22 Y23 · · · Y2N· · · · · · · · · · · · · · ·YN1 YN2 YN3 · · · YNN

·

Vbarra1

Vbarra2...

VbarraN

(2.38)

El coeficiente Y11se llama admitancia propia del nodo o barra "1" y corresponde a la suma detodas las admitancias conectadas a la barra "1". De forma análoga las admitancias Y22, · · · , YNN ,son las admitancias propias de las barras 2, · · · ,N respectivamente y se obtienen sumando todas lasadmitancias conectadas a los nodos 2, · · · ,N.

El coeficiente Y12 es la coadmitancia de las barras 1 y 2, y es la suma de todas las admitancias onexos que unen a ambas barras. Y12 tiene signo negativo. De forma análoga, Y23, Y13, en general Yi jpara i 6= j tiene signo negativo. La matriz de admitancias Ybarra es simétrica por tanto:

Yi j = Yji (2.39)

La intensidad de corriente Inodo1es la suma de todas las corrientes de fuente que pasan por el nodo"1". Una corriente que entra en el nodo tiene signo positivo, la que sale del nodo se le asigna signonegativo. Las intensidades Inodo2, · · · ˜, InodoN

son la suma de las corrientes que pasan por los nodos2, · · · , N, respectivamente.

La tensión Vbarra1 del vector Vbarra corresponde a la tensión entre la barra "1" y la referencia. Latensión en cada barra con respecto a la referencia se puede calcular resolviendo la ecuación 2.36como:

[Vbarra

]= [Ybarra]

−1 ·[Ibarra

](2.40)

La inversa de la matriz Ybarra se denomina matriz de impedancia de barra (ZBus). Los elementosde la diagonal principal de esta matriz (Zbusii) corresponde a las impedancias de Thévenin entre elnodo "i" y el de referencia.


[Zbus] = [Ybarra]−1 (2.41)

2.12. Teorema de Thévenin y Norton

Cualquier red lineal de dos terminales se puede remplazar con un circuito equivalente de Théveninque consiste en un fuente de tensión y una impedancia en serie. El voltaje se llama "Tensión equi-valente de Thévenin" (Vth) y la impedancia es Zth. Por otra parte, también cualquier red lineal dedos terminales se puede remplazar con un circuito equivalente de Norton que consiste en un fuentede corriente y una impedancia en paralelo. La corriente se llama "Corriente equivalente de Norton"(IN) y la impedancia es Zth. En ambos teoremas la impedancia equivalente es la misma.

La tensión equivalente de Thévenin (Vth) corresponde a la tensión que aparece entre los termina-les "a y b" cuando el circuito se encuentra abierto. La corriente equivalente de Norton (IN) es lacorriente que circula entre los terminales "a y b" cuando estos se encuentran en cortocircuito.En lafigura2.2, se presenta un equivalente Thévenin y Norton de una red eléctrica.

Zth =Vth

IN(2.42)

(a) Sistema Eléctrico

(b) Equivalente Thévenin (c) Equivalente Norton

Figura 2.2: Equivalente de Thévenin de una red eléctrica

2.13. TEOREMA DE MÁXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIA 49

2.13. Teorema de Máxima Transferencia de Potencia

Para obtener máxima transferencia de potencia a una impedancia de carga conectada entre losterminales "a" y "b" de una red eléctrica, se requiere utilizar el equivalente Thévenin de la red. Enla figura 2.3, se presenta un esquema del circuito.

Figura 2.3: Circuito equivalente de Thévenin con una impedancia de carga

Donde:

Zth = Rth + j Xth (2.43)

Zcarga = Rcarga + j Xcarga (2.44)

La potencia aparente entregada a la carga es:

Scarga = Zcarga ·∣∣I∣∣2 = Pcarga + j Qcarga = Rcarga ·

∣∣I∣∣2 + j Xcarga ·∣∣I∣∣2 (2.45)

Entonces la potencia activa entregada a la carga es:

P = Rcarga ·∣∣I∣∣2 (2.46)

La corriente I del circuito de la figura 2.3, se puede calcular utilizando la ley de Ohm como:

I =Vth

Zth +Zcarga=

Vth

(Rth +Rcarga)+ j (Xth +Xcarga)(2.47)

Sustituyendo la expresión 2.47 en la ecuación 2.46, se obtiene:

P = Rcarga ·∣∣Vth∣∣2

(Rth +Rcarga)2 +(Xth +Xcarga)

2 (2.48)


El máximo de potencia se obtiene derivando la expresión de potencia 2.48 con respecto a la resis-tencia de la carga (Rcarga) e igualando a cero. Se puede eliminar el término (Xth +Xcarga)

2haciendoque Xcarga =−Xth. Entonces la ecuación 2.48, se reduce ha:

P = Rcarga ·∣∣Vth∣∣2

(Rth +Rcarga)2 (2.49)

Derivando se obtiene:

∂P∂Rcarga

=

∣∣Vth∣∣2 (Rth−Rcarga)

(Rth +Rcarga)3 (2.50)

El valor de Rcargaque anula la expresión 2.50 es:

Rcarga = Rth (2.51)

En conclusión para obtener máxima transferencia de potencia en una impedancia de carga se re-quiere que:

Zcarga = Z∗th (2.52)

2.14. Sistemas Eléctricos Trifásicos

Los sistemas eléctricos trifásicos se caracterizan por tener magnitudes de tensión y corriente igualesen las diferentes fases que lo componen y presentar un desfasaje entre ellas igual a 2π/3, ademásdebe presentar una secuencia de operación, bien positiva (a-b-c) o negativa (a-c-b) y la suma de lastensiones línea a línea de todas las fases es cero (vab(t)+ vbc(t)+ vca(t)) = 0.

Existen dos formas de conectar las cargas en un sistema trifásico. La conexión estrella en donde lastres ramas posee un punto común en las tres fases denominado "neutro" el cual puede ser aisladosi no presenta conexión, o puesto a tierra sólidamente a través de un conductor o a través de unresistencia o reactancia. La conexión delta las tres ramas se conectan en serie. En la figura 2.4, sepresenta el esquema de una fuente trifásica conectada en estrella y delta denotando sus corrientesy tensiones de rama y fase.

2.14. SISTEMAS ELÉCTRICOS TRIFÁSICOS 51

(a) Estrella (b) Delta

Figura 2.4: Esquema de una fuente de tensión trifásica

2.14.1. Conexión Estrella

Por ejemplo un sistema de tensiones balanceado en estrella de secuencia positiva con sus respectivofasor, posee las siguientes tensiones por fase:

van(t) =√

2V sin(ωt) ⇒ ˜Van = Ve j0

vbn(t) =√

2V sin(ωt− 2π

3

)⇒ ˜Vbn = Ve− j 2π

3

vcn(t) =√

2V sin(ωt− 4π

3

)⇒ Vcn = Ve− j 4π

3

(2.53)

Las tensiones línea a línea se pueden calcular a partir de las tensiones de fase utilizando los fasores.

Vab = Va−Vb = V(

e j0− e− j 2π

3

)=√

3Ve j π

6 ⇒ vab(t) =√

2√

3V sin(ωt + π

6

)Vbc = Vb−Vc = V

(e− j 2π

3 − e− j 4π

3

)=√

3Ve− j π

2 ⇒ vbc(t) =√

2√

3V sin(ωt− π

2

)Vca = Vc−Va = V

(e− j 4π

3 − e j0)

=√

3Ve− j 5π

6 ⇒ vca(t) =√

2√

3V sin(ωt− 5π

6

) (2.54)

Para encontrar las tensiones línea a línea a partir de las tensiones de fase en un sistema trifásicobasta con multiplicar la magnitud de la tensión por

√3 y sumar a la fase de la sinusoidal π/6.


Vi j =(√

3e j π

6

)·Vin (2.55)

En la conexión estrella las corrientes de cada fase es igual a la corriente de la respectiva rama. Laimpedancia de la estrella se puede definir a partir de la ley de Ohm como:

ZY =Vin

Ii(2.56)

2.14.2. Conexión Delta

Por ejemplo un sistema de corrientes balanceado en delta de secuencia positiva con sus respectivofasor, posee las siguientes corrientes por rama:

iab(t) =√

2I sin(ωt) ⇒ Iab = Ie j0

ibc(t) =√

2I sin(ωt− 2π

3

)⇒ Ibc = Ie− j 2π

3

ica(t) =√

2I sin(ωt− 4π

3

)⇒ Ica = Ie− j 4π

3

(2.57)

De los nodos de la figura 2.4 (b) se puede calcular las corrientes en las ramas como:

Ia = Iab− Ica = I(

e j0− e− j 4π

3

)=√

3Ie− j π

6 ⇒ ia(t) =√

2√

3I sin(ωt− π

6

)Ib = Ibc− Iab = I

(e− j 2π

3 − e− j0)

=√

3Ie− j 5π

6 ⇒ ib(t) =√

2√

3I sin(ωt− 5π

6

)Ic = Ica− Ibc = I

(e− j 4π

3 − e− j 2π

3

)=√

3Ie j π

2 ⇒ ic(t) =√

2√

3I sin(ωt + π

2

) (2.58)

Para encontrar las corrientes de línea a partir de las corrientes de rama en un sistema trifásico bastacon multiplicar la magnitud de la corriente por

√3 y restar a la fase de la sinusoidal π/6.

Ii =(√

3e− j π

6

)· Ii j (2.59)

En la conexión delta las tensiones línea a línea son iguales a las tensiones de la respectiva rama. Laimpedancia de la delta se puede definir a partir de la ley de Ohm como:

Z∆ =Vi j

Ii j(2.60)

2.14.3. Equivalente Delta Estrella

La conexión delta se puede modelar como una estrella con el neutro aislado utilizando las relaciones2.55 y 2.59.

Z∆ =Vi j

Ii j=

(√3e j π

6

)·Vin(

1√3e j π

6

)· Ii

= 3 · Vin

Ii= 3 ·ZY (2.61)

2.14. SISTEMAS ELÉCTRICOS TRIFÁSICOS 53

2.14.4. Potencia Trifásica

Para un sistema de tensiones y corrientes trifásicas balanceadas y de secuencia positiva de la forma:

van(t) =√

2V sin(ωt)vbn(t) =

√2V sin

(ωt− 2π

3

)vcn(t) =

√2V sin

(ωt− 4π

3

) (2.62)

ia(t) =√

2I sin(ωt−β )ib(t) =

√2I sin

(ωt− 2π

3 −β)

ic(t) =√

2I sin(ωt− 4π

3 −β) (2.63)

La potencia instantánea en el sistema trifásico se calcula a partir de la potencia instantánea de cadauna de las fases como:

p(t) = van(t) · ia(t)+ vbn(t) · ib(t)+ vcn(t) · ic(t) (2.64)

Sustituyendo las expresiones 2.62 y 2.63 en la ecuación 2.64 obtenemos:

p(t) = 2V I sin(ωt)sin(ωt−β )+2V I sin(ωt− 2π

3

)sin(ωt− 2π

3 −β)

+2V I + sin(ωt− 4π

3

)sin(ωt− 4π

3 −β) (2.65)

Simplificando la expresión 2.65 con la identidad trigonométrica 2.24, obtenemos:

p(t) = V I cos(β )−V I cos(2ωt−β )+V I cos(β )−V I cos(2ωt−β − 4π

3

)+V I cos(β )−V I cos

(2ωt−β − 8π

3

)p(t) = 3V I cos(β )

(2.66)

La potencia promedio de un circuito trifásico es:

P =1T

∫ T

0p(t) ·dt = 3V I cos(β ) (2.67)

Del resultado de la expresión 2.66, la potencia instantánea de un circuito trifásico balanceado esconstante e igual a tres veces la potencia promedio de un circuito monofásico equivalente.

La potencia compleja en un sistema eléctrico trifásico se expresa en función la de potencia de unafase o en función de la tensión línea a línea y de la corriente de línea como:

S3Φ = 3S1Φ = 3Vin(Ii)∗ =

√3Vi j

(Ii)∗ = P+ jQ (2.68)

Para un sistema balanceado y equilibrado la potencia compleja es:

S3Φ = 3S1Φ = 3Vin(Ii)∗ = 3Ve j0

(Ie− jβ

)∗= 3V Ie jβ

S3Φ = 3V I (cos(β )+ j sin(β )) = P+ jQ(2.69)


Otra forma de obtener la potencia instantánea para circuitos de tres hilos es decir, con neutro aisladoes:

p(t) = vab(t) · ia(t)− vbc(t) · ic(t) (2.70)

si desarrollamos la expresión 2.70, obtenemos:

p(t) = (va(t)− vb(t)) · ia(t)− (vb(t)− vc(t)) · ic(t)(ia(t)+ ic(t))p(t) = va(t) · ia(t)+ vc(t) · ic(t)− vb(t)

(2.71)

De la condición de neutro aislado:

ia(t)+ ib(t)+ ic(t) = 0ib(t) =−(ia(t)+ ic(t))

(2.72)

Sustituyendo el resultado de la expresión 2.72 en la ecuación de potencia instantánea 2.71, seobtiene la misma expresión de 2.64.

p(t) = va(t) · ia(t)+ vb(t) · ib(t)+ vcn(t) · ic(t) (2.73)

Capítulo 3

Análisis de los Circuitos Mediante Series deFourier.

3.1. Serie de Fourier

Es una representación a través de expresiones trigonométricas de una función periódica. Para estarepresentación se utiliza una suma infinita de funciones sinusoidales y cosenoidales de distintasfrecuencias, mutuamente ortogonales entre si.

Una función se denomina periódica si cumple:

g(t) = g(t +T ) (3.1)

Donde:

T es el tiempo en un periodo de la señal.

Si conocemos la frecuencia ( f ) en Hertz de la señal, se puede escribir la frecuencia eléctrica como:

ω =2π

T= 2π f (3.2)

Sustituyendo de ecuación (3.2) en la ecuación (3.1), se puede escribir la condición de periodicidadde una señal de la siguiente forma:

g(ωt) = g(ωt +2π) (3.3)

El teorema de Fourier indica que la función periódica g(t) se puede escribir como el valor medio dela función más una serie infinita de términos sinusoidales en senos y coseno de frecuencia angularnω , donde n es un entero positivo y se denomina armónica. Por lo tanto g(t) se puede escribircomo:

g(t) = a0 +∞

∑n=1,2,3,···

(an cos(ωt)+bn sin(ωt)) (3.4)

55

56 CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS CIRCUITOS MEDIANTE SERIES DE FOURIER.

Las expresiones constantes a0, an y bn, se pueden determinar a partir de las siguientes expresiones:

a0 =1T

∫ T

0g(t)dt =

12π

∫ T

0g(ωt)dωt (3.5)

an =2T

∫ T

0g(t)cos(nωt)dt =

1π

∫ 2π

0g(ωt)cos(nωt)dωt (3.6)

bn =2T

∫ T

0g(t)sin(nωt)dt =

1π

∫ 2π

0g(ωt)sin(nωt)dωt (3.7)

Las condiciones suficientes que debe cumplir una función g(t) para ser representada medianteSeries de Fourier son:

1. La función g(t) debe ser continua en el período T , o debe tener a lo sumo un número finitode discontinuidades en el intervalo de un período.

2. La función g(t) debe tener un número finito de máximos y mínimos en el periodo T .

3. La integral del valor absoluto de la función g(t) en un período debe ser finita.

Las condiciones anteriores, son conocidas como CONDICIONES DE DIRICHLET y si una funcióng(t) las cumple puede ser expresada en series de Fourier. Sin embargo, existen funciones que nocumplen todas las condiciones anteriores y admiten representación en series de Fourier.

3.2. Expresiones de la Serie de Fourier

Los senos y cosenos de la expresión de la función periódica g(t) de una misma frecuencia, puedencombinarse en una solo sinusoidal originando expresiones alternativas de la serie de Fourier.

g(t) = a0 +∞

∑n=1,2,3,···

cn cos(ωt +θn) = a0 +∞

∑n=1,2,3,···

cn sin(ωt + ςn) (3.8)

Donde:

cn =√

a2n +b2

n

θn = arctan(−bn

an

)

ςn = arctan(

an

bn

)

3.3. SIMETRÍA DE LA FUNCIÓN G(T ) 57

3.3. Simetría de la Función g(t)

Cuando la función periódica g(t) presenta ciertas simetrías, se simplifica enormemente el cálculode los coeficientes de Fourier. Las simetrías más importantes a considerar son:

3.3.1. Función Par

Se dice que la función g(t) es una función par, cuando se cumple la igualdad:

g(−t) = g(t) (3.9)

3.3.2. Función Impar

Se dice que la función g(t) es una función impar, cuando se cumple la igualdad:

g(−t) =−g(t) (3.10)

3.3.3. Simetría de Media Onda

Se dice que una función g(t) tiene una simetría de media onda, cuando cumple la condición:

g(t) =−g(

t +T2

)(3.11)

3.4. Coeficientes de Fourier de Ondas Simétricas

Las propiedades de simetría anteriormente presentadas, permiten simplificar el cálculo de los coefi-cientes de Fourier. Si calculamos la integral en un periodo completo de las funciones que presentansimetría par o impar, tenemos:

∫ to+T

t0g(t)dt =

2∫ to+T

t0+ T2

g(t)dt ∀ g(t) par

0 ∀ g(t) impar(3.12)

Para evaluar los coeficientes de Fourier de las expresiones 3.6 y 3.7, es necesario evaluar la simetríade las funciones:

h(t) = g(t)cos(nωt)k(t) = g(t)sin(nωt) (3.13)

Si la función g(t) es par, se obtiene:


h(−t) = g(−t)cos(−nωt) = g(t)cos(nωt) = h(t)k(−t) = g(−t)sin(−nωt) =−g(t)sin(nωt) =−k(t) (3.14)

Si la función g(t) es impar, se obtiene:

h(−t) = g(−t)cos(−nωt) =−g(t)cos(nωt) =−h(t)k(−t) = g(−t)sin(−nωt) = g(t)sin(nωt) = k(t) (3.15)

Al evaluar los coeficientes de Fourier de las ecuaciones 3.6 y 3.7, con las simetrías obtenidas en lasexpresiones 3.14 y 3.15 se obtiene:

3.4.1. Funciones Pares

an = 2T∫ T

2− T

2g(t)cos(nωt)dt = 4

T∫ T

20 g(t)cos(nωt)dt

bn = 0(3.16)

3.4.2. Funciones Impares

an = 0

bn = 2T∫ T

2− T

2g(t)sin(nωt)dt = 4

T∫ T

20 g(t)sin(nωt)dt

(3.17)

3.4.3. Funciones con Simetría de Media Onda

Utilizando la simetría de la expresión 3.11 en las ecuaciones 3.6 y 3.7, se puede demostrar que sudesarrollo en serie de Fourier sólo contiene armónicos impares.

an = 2T∫ T

2− T

2g(t)cos(nωt)dt = 2

T

[∫ 0− T

2g(t)cos(nωt)dt +

∫ T2

0 g(t)cos(nωt)dt]

bn = 2T∫ T

2− T

2g(t)sin(nωt)dt = 2

T

[∫ 0− T

2g(t)sin(nωt)dt +

∫ T2

0 g(t)sin(nωt)dt] (3.18)

Realizando el cambio de variable t = τ−T/2 en la expresión 3.18 y teniendo en cuenta la simetríade media onda, se obtiene:

an = 2T

[∫ T2

0 g(τ− T

2

)cosnω

(τ− T

2

)dτ +

∫ T2

0 g(t)cos(nωt)dt]

an = 2T

[∫ T2

0 −g(τ)cosnω(τ− T

2

)dτ +

∫ T2

0 g(t)cos(nωt)dt]

bn = 2T

[∫ T2

0 g(τ− T

2

)sinnω

(τ− T

2

)dτ +

∫ T2

0 g(t)sin(nωt)dt]

bn = 2T

[∫ T2

0 g(τ)sinnω(τ− T

2

)dτ +

∫ T2

0 g(t)sin(nωt)dt]

(3.19)

3.5. VALOR EFECTIVO O EFICAZ 59

Evaluando la expresión 3.19, para n par e impar se obtiene:

n par:

an = 0bn = 0 (3.20)

nimpar:

an = 4T∫ T

20 g(t) cos(nωt)dt

bn = 4T∫ T

20 g(t) sin(nωt)dt

(3.21)

3.5. Valor Efectivo o Eficaz

El valor efectivo o eficaz de la función periódica g(t) puede calcularse a partir de las armónicas delas series de Fourier, mediante la siguiente expresión:

Grms =

√a2

0 +∞

∑n=1,2,3,···

G2rmsn

=

√√√√a20 +

∞

∑n=1,2,3,···

(cn√

2

)2

(3.22)

Donde:

Grmsn corresponde al valor efectivo de la señal para la armónica . 1.

3.6. Factor de Distorsión Armónica Total

El factor de distorsión armónica total (T HD) de una señal es una medida del contenido total dearmónicas de la señal respecto a una referencia, generalmente la primera armónica, y se calculacomo:

T HD =

√G2

rms−G2rms1

Grms1

(3.23)

3.7. Factor de Rizado

El factor de rizado (FR) es una medida del contenido armónico total de la señal con respecto alvalor medio de la misma.

FR =

√G2

rms−a20

a0=

√∑

∞n=1,2,3,···G2

rmsn

a0(3.24)


3.8. Factor de Forma

El factor de forma mide la proporción entre el valor medio y efectivo de una señal.

FF =Grms

a0(3.25)

3.9. Análisis de Circuitos Eléctricos

Si la función periódica g(t), que acabamos de descomponer en serie de Fourier, alimenta en tensiónun circuito eléctrico como el mostrado en la figura 3.1, se puede calcular la expresión de la serie deFourier de la corriente en la carga a través del conocimiento de la serie de la tensión aplicada a lacarga.

Figura 3.1: Circuito RL

Como se observa de la figura 3.1, la tensión en régimen permanente sobre la carga RL correspondea la tensión de la fuente v f (t) posterior a la conexión del interruptor Sw. La tensión en la carga sepuede expresar en Series de Fourier como:

vcarga(t) = V0 +∞

∑n=1,2,···

Vn sin(nωt + ςn) (3.26)

donde:

V0 = a0

Vn = cn =√

a2n +b2

n

ςn = arctan(

an

bn

)

3.10. CÁLCULO DE POTENCIA PARA FORMAS DE ONDA PERIÓDICAS NO SINUSOIDALES61

La expresión de la corriente en serie de Fourier se puede obtener en función de la serie de tensiónde la expresión (3.26) como:

i(t) = I0 +∞

∑n=1,2,···

(Vn

Znsin(nωt + ςn−ϕn)

)(3.27)

donde:

I0 =V0

R

Zn =√

R2 +(nωL)2

ϕn = arctan(

nωLR

)La expresión (3.27), se puede utilizar como respuesta particular en la solución de la ecuación dife-rencial que describe el comportamiento del circuito de la figura 3.1, con la finalidad de evaluar elrégimen transitorio luego del cierre del interruptor Sw.

3.10. Cálculo de Potencia Para Formas de Onda Periódicas NoSinusoidales

Los circuitos de electrónica de potencia tienen, normalmente tensiones y/o corrientes que son si-métricas pero no sinusoidales. En el caso general se pueden extrapolar los conceptos de potenciaaparente y reactiva utilizados para formas de ondas sinusoidales. Uno de los errores comunes alcalcular la potencia promedio en circuitos de potencia, es tratar de aplicar las relaciones de ondassinusoidales para ondas que no los son.

3.10.1. Potencia Media

Las formas de onda periódica de tensión y corriente pueden ser representadas a través de su seriede Fourier como:

v(t) = V0 +∑∞n=1Vn sin(nωt +ψn)

i(t) = I0 +∑∞n=1 In sin(nωt +φn)

(3.28)

La potencia media se puede calcular como:

P = 1T∫ T

0 p(t)dt = 1T∫ T

0 (v(t)i(t))dtP = 1

T∫ T

0 ([V0 +∑∞n=1Vn sin(nωt +ψn)] [I0 +∑

∞n=1 In sin(nωt +φn)])dt

(3.29)

Recordando la identidad trigonométrica:


sin(a)sin(b) =12

(cos(a−b)− cos(a+b)) (3.30)

P = V0I0 +∞

∑n=1

(VnIn

2

)cos(ψn−φn) (3.31)

3.10.2. Potencia Aparente

La potencia aparente se calcula a partir de los valores efectivos de la tensión y corriente como:

S = VrmsIrms =√

P2 +Q2 (3.32)

3.10.3. Factor de Potencia

El factor de potencia ( f p) se calcula a partir de su definición como:

f p =PS

=V0I0 +∑

∞n=1(VnIn

2

)cos(ψn−φn)

VrmsIrms(3.33)

3.11. Potencia de Distorsión

En el caso particular una tensión que solo contenga la armónica fundamental y alimente una cargano lineal se obtiene:

v(t) = V1 sin(ωt +ψ1)i(t) = ∑

∞n=1 In sin(nωt +φn)

(3.34)

La potencia media, se obtiene a partir de la expresión 3.29, como:

P =(

V1I1

2

)cos(ψ1−φ1) = Vrms1Irms1 cos(ψ1−φ1) (3.35)

El factor de potencia:

f p =VrmsIrms1 cos(ψ1−φ1)

VrmsIrms=

Irms1

Irmscos(ψ1−φ1) (3.36)

Observe que para el caso sinusoidal permanente con armónica fundamental (n = 1) y carga linealse obtiene:

v(t) =√

2Vrms1 sin(ωt +ψ1)i(t) =

√2Irms1 sin(ωt +φ1)

(3.37)

3.12. EJEMPLO DE APLICACIÓN 63

f p1 =Vrms1Irms1 cos(ψ1−φ1)

Vrms1Irms1

= cos(ψ1−φ1) (3.38)

S1 = Vrms1Irms1 (cos(ψ1−φ1)+ j sin(ψ1−φ1)) = P1 + jQ1 (3.39)

Note: que la potencia activa en ambos casos es igual.

Utilizando el resultado de la expresión 3.38, se puede reescribir la ecuación 3.36, como:

f p =Irms1

Irmsf p1 (3.40)

Definiendo el Factor de desplazamiento del factor de potencia (DPF) como:

DPF ≡ f p1 (3.41)

Utilizando la definición 3.41 , se puede escribir la ecuación 3.40 como:

f p =Irms1

IrmsDPF (3.42)

Definiendo la potencia de de distorsión (D) como:

D≡Vrms1

(√∞

∑n6=1

I2rmsn

)(3.43)

Utilizando la definición 3.43 y la expresión 3.39, la potencia aparente en la carga no lineal, secalcula como:

S =√

P2 +Q2 =√

P21 +Q2

1 +D2 =√

S21 +D2 (3.44)

3.12. Ejemplo de Aplicación

En esta sección calcularemos la expansión en series de fourir de una onda cuadrada como la mos-trada en la figura 3.2. Esta onda se puede representar matemáticamente como:

x(t) =

V 0≤ t ≤ T

2−V T

2 < t < T(3.45)


Figura 3.2: Gráfica de función x(t)

Aplicando la definición de la expresión 3.8 para la función x(t) , considerando su simetría, obtene-mos:

x(t) = ∑nimpares

(4Vnπ

)sin(

2πnT

t)

(3.46)

En la figura 3.3, se presenta la evolución de la función x(t) de la expresión 3.46 al considerar hastala armónica desde la fundamental hasta la 17º armónica:

3.12. EJEMPLO DE APLICACIÓN 65

(a) Vista en 2D

(b) Vista 3D

Figura 3.3: Evolución de la función x(t) al considerar cada armónica.


Capítulo 4

Vectores Espaciales

4.1. Definición

Tradicionalmente en el análisis de sistemas de potencia se ha utilizado la transformaciones modalestales como: componentes simétricas, Clark, Park, entre otras. Estas transformaciones polifásicaspermiten desacoplar las ligazones entre las ecuaciones que describen el comportamiento del sistemade potencia simétricos y que adicionalmente, pueden presentar componentes con simetría cíclica.En sistemas de potencia balanceados, conectados en estrella con neutro aislado o en delta, lascomponentes de secuencia cero pueden ser despreciadas, debido a que en esta condición son cero.Las componentes de secuencia positiva y negativa tienen un comportamiento similar, en especialen sistemas simétricos, y una es la compleja conjugada de la otra. Durante las últimas décadas,la transformación de vectores espaciales ha sido utilizada ampliamente en el control dinámico demáquinas eléctricas. Definiendo la transformación de vectores espaciales como:

−→x ≡√

23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

] xa(t)xb(t)xc(t)

= xα(t)+ jxβ (t) = x(t)e jξ (t) (4.1)

El coeficiente√

2/3 es necesario para mantener la in varianza de potencia entre el sistema de coor-denadas primitivas y el de vectores espaciales. Este coeficiente viene dado por la transformaciónhermitiana de componentes simétricas (

√1/3) y el

√2 para producir en vectores espaciales la mis-

ma potencia activa instantánea que el sistema original debido al efecto de la secuencia negativa ensistemas balanceados. En la figura 4.1 se muestra una interpretación gráfica de la transformación avectores espaciales.

4.2. Potencia Activa y Reactiva Instantánea

En sistemas de potencia trifásicos la potencia activa instantánea p(t) se calcula por la superposiciónde la potencia activa instantánea por cada una de las fases del sistema.

p(t) = va(t) ia(t)+ vb(t) ib(t)+ vc(t) ic(t) (4.2)

67

68 CAPÍTULO 4. VECTORES ESPACIALES

Figura 4.1: Interpretación gráfica de la transformación de vectores espaciales

4.2. POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA INSTANTÁNEA 69

La definición convencional de la potencia aparente S, esta basada en la capacidad del equipo enfunción de la tensión y corriente nominal en condición de operación balanceada (

√3Vlnea−lnea Ilnea

). La potencia reactiva Q en sistemas trifásicos se define como la relación entre la potencia apa-rente y la activa a través del triángulo de Pitágoras (

√S2−P2). Este concepto es utilizado por los

ingenieros para el diseño y evaluación de los sistemas de potencia. Sin embargo, bajo condicionesdes balanceadas de operación o ante la presencia de armónicos en las tensiones o corrientes delsistema esta definición se corrige, introduciendo los conceptos de factor de potencia de desplaza-miento (DPF) y de factor de distorsión armónica total (T HD). A finales de la década de los noventaKazibwe introduce los procedimientos para la realización de medidas de la potencia reactiva y loscostos asociados a esta potencia en los sistemas eléctricos.

Una mejor y más precisa definición de la potencia activa, reactiva y aparente instantánea en sistemasde potencia trifásicos se puede obtener al utilizar la teoría de los vectores espaciales.

Recordando la definición del fasor de potencia aparente.

S = V I∗ = V e jα · I e− jβ = V I e j(α−β ) = V I e jγ = P+ jQ (4.3)

Una expresión similar puede ser obtenida al utilizar vectores espaciales.

−→s (t) =−→v (t) ·−→i (t)∗ = p(t)+ jq(t) (4.4)

donde:

−→v (t)≡√

23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

] va(t)vb(t)vc(t)

(4.5)

−→i (t)∗ ≡

√23

[1 e j 4π

3 e j 2π

3

] ia(t)ib(t)ic(t)

(4.6)

Sustituyendo las expresiones de los vectores espaciales de tensión y corriente en la ecuación 4.4 seobtiene la expresión de potencia instantánea en coordenadas primitivas ABC.

−→s (t) = p(t)+ jq(t) = [va(t) ia(t)+ vb(t) ib(t)+ vc(t) ic(t)]+ j

√3

3 [vbc(t) ia(t)+ vca(t) ib(t)+ vab(t) ic(t)](4.7)

Esta expresión de potencia instantánea 4.7 es válida en cualquier condición de operación, parasistemas de potencia de tres o cuatro hilos, para régimen transitorio y estado estacionario, condiciónde operación balanceada y no balanceada y ante formas de ondas sinusoidales o no sinusoidales.La parte real ecuación 4.7 coincide con la definición clásica de la potencia trifásica instantánea 4.2.Por otra parte, la parte imaginaria de la ecuación 4.7 define un concepto de la potencia reactivainstantánea que en algunos casos coincide con la definición clásica de potencia reactiva. Para unsistema de potencia trifásico balanceado en estado estacionario y alimentado por formas de ondasinusoidales, la potencia activa y reactiva instantánea son invariantes en el tiempo, esto se debea que el vector espacial de tensión 4.5 y corriente 4.6 poseen una amplitud y un ángulo relativoentre ellos constante en el tiempo. En esta condición la definición clásica de potencia activa y


reactiva coincide con la expresión 4.7 mientras que para condiciones de alimentación no sinusoidaly sistemas des balanceados las definiciones clásicas y vectoriales de la potencia son diferentes.

Sustituyendo la expresión de la potencia aparente instantánea 4.4 en la definición del factor depotencia, se obtiene el factor de potencia instantáneo:

f p(t) =p(t)∣∣−→s (t)

∣∣ (4.8)

La expresión 4.8 al igual que la 4.7 es válida en cualquier condición de operación, para sistemas detres o cuatro hilos.

A continuación, presentamos tres casos de la aplicación de la definición de potencia instantáneavectorial comparada con la definición clásica de potencia.

4.2.1. Operación Balanceada y Desbalanceada:

Considerando un sistema de potencia trifásico tres hilos, alimentado por un sistema de tensionessinusoidales balanceados de valor efectivo 1p.u., aplicado a un par de cargas balanceadas conecta-das en delta con valor de: (1,0+ j1,0 p.u.) y ( 0,8+ j0,6 p.u.) por rama. Para el caso desbalenceadose aplicara un factor de 1,0, 1,05 y 0,95 a cada rama de la carga respectivamente. En las figuras4.2 y 4.3 se presenta una comparación entre los resultados de potencia activa y reactiva instantá-nea calculada a partir de la definición clásica y los cálculos obtenidos al utilizar la definición depotencia instantánea vectorial de la expresión 4.7. Se puede observar en las figuras 4.2 y 4.3 que elcálculo de potencia por la definición clásica como la vectorial coincide perfectamente en condiciónbalanceada de operación, mientras que para la condición desbalanceada sólo reproduce la potenciaactiva. El oscilograma del vector espacial de potencia instantánea permite visualizar la variaciónen el tiempo de la potencia activa y reactiva. El centro de gravedad del oscilograma representa lapotencia activa y reactiva promedio de la carga.

4.2.2. Operación Armónica:

En este caso analizaremos la potencia activa y reactiva entregada por un inversor trifásico de unpulso por semi ciclo, sin control por ancho de pulso, aplicado a una carga conectada en delta deimpedancia a frecuencia fundamental de 0,8+ j0,6 en p.u. La tensión vab(t) aplicada por el inversora la carga puede ser descrita a través de series de Fourier de la siguiente forma:

vab(t) =∞

∑n=1

4√

32

(2n−1)π· cos

((2n−1)π

6

)· sin

((2n−1) ·

(ωt +

π

6

))(4.9)

Las tensiones vbc(t) y vca(t) pueden representarse a través de la expresión 4.9 considerando la faserelativa en atraso de 2π/3 y 4π/3 respectivamente. En la figura 4.4 se presenta los resultados delcálculo de la potencia activa y reactiva utilizando las dos definiciones. Se puede destacar que paraambas definiciones la potencia promedio activa coincide perfectamente mientras que la potenciareactiva difiere. La potencia media vectorial coincide con el centro geométrico de su oscilograma.


Figura 4.2: Definición clásica y vectorial de la potencia para carga puramente resistiva en condiciónde operación balanceada y desbalanceada.

Figura 4.3: Definición clásica y vectorial de la potencia para carga resistiva inductiva en condiciónde operación balanceada y desbalanceada.


Figura 4.4: Definición clásica y vectorial de la potencia para carga resistiva inductiva alimentadapor un inversor trifásico sin control por ancho de pulso.

4.2.3. Operación Transitoria:

En la operación normal de sistema de potencia se presentan diferentes condiciones de operacióntransitorias tales como: arranque de motores, energización de transformadores y operaciones deapertura y cierre de líneas de transmisión, durante estas maniobras las tensiones y corrientes apli-cadas presentan distorsiones originando que sus formas de onda no sean sinusoidales. Por ejemplo,consideremos el arranque de un motor de inducción trifásico de jaula de ardilla a plena tensióndesde un sistema de tensiones sinusoidales balanceado de frecuencia fundamental. El motor se en-cuentra cargado en el eje a par nominal. En la figura 4.5 se presenta, la potencia activa y reactivainstantánea durante el proceso de arranque del convertidor. La definición clásica de potencia nopuede ser aplicada en esta condición de operación, debido a que requiere la evaluación de los valo-res efectivos de tensión y corriente en las bobinas que conforman el estator. Una de las principalesventajas de la definición de la potencia a través de vectores espaciales, es la posibilidad de utili-zarla para estimar los parámetros del modelo de la máquina de inducción en régimen dinámico deoperación.

4.2.4. Interpretación Física:

Una interpretación física de la expresión de potencia instantánea 4.7 se puede obtener al considerar,la relación existente entre la fuerza electromotriz e, y la intensidad de campo eléctrico

−→E por una

parte y de la intensidad de campo magnético−→H y la corriente i por otra. El producto vectorial

de estas dos intensidades de campo en cada punto del espacio y del tiempo define el vector de


Figura 4.5: Vector espacial de potencia durante un arranque a plena tensión de una máquina deinducción.

Pointing−→S =

−→E ×−→H . Este vector espacio-temporal representa el flujo de potencia transferida

por unidad de área debido a los campos electromagnéticos. Por ejemplo, en el entre hierro de lasmáquinas eléctricas rotatorias el vector de Pointing

−→S en cada punto del espacio y del tiempo,

tiene dos componentes una en sentido axial y otra tangencial. La componente axial determinala potencia activa transferida entre el estator y el rotor, mientras que la tangencial representa lapotencia que fluye en el entre hierro para mantener el campo electromagnético rotatorio. En líneasde transmisión trifásicas el fenómeno es similar, la potencia activa instantánea corresponde a lacomponente longitudinal del vector de Pointing mientras que la potencia reactiva corresponde a lacomponente tangencial o rotatoria de este vector. Debido a que la corriente i esta relacionada conla intensidad de campo magnético

−→H a través de la ley de Amper y la fuerza electromotriz e se

obtiene de la integral de la intensidad de campo eléctrico−→E , es razonable pensar que la potencia

activa instantánea p(t) esta relacionada con la componente radial del vector de Pointing−→S , y la

potencia reactiva instantánea q(t) con la componente tangencial de este vector.


Capítulo 5

Circuitos con Interruptores

5.1. Definiciones:

Carga: Conjunto de dispositivos eléctricos aguas abajo del interruptor.

Interruptor: dispositivo que permite la circulación de corriente mediante la apertura o cierre delcircuito.

5.2. Circuito Resistivo:

En la figura 5.1, se observa la configuración de un circuito resistivo, alimentado por una fuente detensión continua. El interruptor Sw, se cierra en t = t1.

Figura 5.1: Circuito resistivo

Aplicando la ley de Kirchhoff de tensión en el circuito tenemos:

v f uente(t) = vSw(t)+ vcarga(t) (5.1)

Analizando la tensión en cada una de las componentes del circuito para todo instante de tiempo seobtiene:

v f uente(t) = VD ∀ t (5.2)

75

76 CAPÍTULO 5. CIRCUITOS CON INTERRUPTORES

vSw(t) =

VDC ∀ t < t10 ∀ t ≥ t1

(5.3)

vcarga(t) =

0 ∀ t < t1VDC ∀ t ≥ t1

(5.4)

La corriente por el circuito posterior al cierre de interruptor para t ≥ t1 es:

i(t) =VDC

R(5.5)

Para observar los oscilo gramas de tensión y corriente de este circuito se simulo, el circuito con unacarga resistiva de 2Ω y una fuente de tensión de corriente continua de 10V . El interruptor se cierraa los 0,1s, permitiendo la circulación de corriente.

Figura 5.2: Tensión sobre la Carga Resistiva

Figura 5.3: Corriente en la carga resistiva

5.3. CIRCUITO RESISTIVO CAPACITIVO 77

Figura 5.4: Tensión en el interruptor para la carga resistiva

Figura 5.5: Tensión en la fuente para la carga resistiva

5.3. Circuito Resistivo Capacitivo

En la figura 5.6, se observa la configuración de un circuito resistivo capacitivo (RC), alimentadopor una fuente de tensión continua. Aplicando el concepto de carga para este circuito, esta estaríaconformada por la resistencia y el condensador en serie. El condensador se encuentra cargado auna tensión V1 antes de la operación del interruptor en t = t1.


Figura 5.6: Circuito RC

Aplicando la ley de Kirchhoff de tensión en el circuito tenemos:

v f uente(t) = vSw(t)+ vcarga(t) (5.6)

donde:

vcarga(t) = vR(t)+ vC(t)

Analizando la tensión en cada una de los elementos del circuito para todo instante de tiempo seobtiene:

v f uente(t) = VD ∀ t (5.7)

vSw(t) =

VDC ∀ t < t10 ∀ t ≥ t1

(5.8)

vcarga(t) =

0 ∀ t < t1VDC ∀ t ≥ t1

(5.9)

Para encontrar la corriente por el circuito posterior al cierre de interruptor t ≥ t1 es necesario resol-ver la ecuación diferencial que describe el comportamiento del circuito.

VDC = Ri(t)+1C

∫∞

t1i(t)dτ + vC(t1) (5.10)

VDC == RCdvC(t)

dt+ vC(t) (5.11)


5.3.1. Resolución de la Ecuación Diferencial en Corriente

Derivando la ecuación (5.10), se obtiene una ecuación diferencial en corriente para el circuito:

0 = Rdi(t)

dt+

1C

i(t) (5.12)

La solución a la ecuación diferencial (5.12), se obtiene como:

i(t) = k e−t

RC (5.13)

Para encontrar el valor de la constante k es necesario conocer las condiciones iniciales del circuitoantes del cierre del interruptor Sw en el tiempo t = t1.

i(t1) =VDC−V1

R(5.14)

Al sustituir la corriente en t = t1 en la ecuación (5.13), se obtiene la expresión de la corriente delcircuito.

i(t1) = VDC−V1R = k e−

t1RC

↓k = VDC−V1

R et1RC

↓

i(t) = VDC−V1R e−

(t−t1)RC

(5.15)

Otra forma de encontrar la corriente del circuito es resolver la ecuación diferencial de tensión de laexpresión (5.11):

VDC = RC dvC(t)dt + vC(t)

vC(t) = vCh(t)+ vCp(t)vC(t) = k e−

tRC +VDC

(5.16)

Para encontrar el valor de la constante se utiliza las condiciones iniciales.

vC(t1) = V1 = k e−t1RC +VDC

↓k = (V1−VDC)e

t1RC

↓

vC(t) = VDC +(V1−VDC)e−(t−t1)

RC

(5.17)

Para encontrar la corriente es necesario multiplicar por C la tensión en el capacitor y derivarla conrespecto al tiempo.


5.3.2. Solución de la Ecuación Diferencial Utilizando Transformada de La-place

Debido a que las condiciones iniciales no están definidas para el tiempo t = 0 es necesario utilizarel siguiente cambio de variable:

t ′ = t− t1 (5.18)

Aplicando la transformada de Laplace a la expresión (5.10), se obtiene:

VDCs = RI(s)+ 1

Cs I(s)+ V1s

VDC−V1s =

(R+ 1

Cs

)I(s)

(5.19)

Despejando I(s) de la expresión (5.19) se obtiene:

I(s) =VDC−V1

s· 1(

R+ 1Cs

) =VDC−V1

R· 1(

s+ 1RC

) (5.20)

Utilizando la antitransformada de Laplace se obtiene:

i(t) =VDC−V1

R· e−

t′RC (5.21)

Devolviendo el cambio de variable de la expresión ( 5.18), se obtiene la corriente por el circuito.

i(t) =VDC−V1

R· e−

(t−t1)RC (5.22)

5.3.3. Formas de Onda

Para observar las formas de onda de tensión y corriente de este circuito, se simulara el circuito conuna carga resistiva de 2Ω, capacitiva de 80mF y una fuente de tensión de corriente continua de10V . El interruptor se cierra a los 0,1s, permitiendo la circulación de corriente.

Figura 5.7: Tensión en la carga RC


Figura 5.8: Corriente en la carga RC

Figura 5.9: Tensión en el interruptor con carga RC

Figura 5.10: Tensión de la fuente para la carga RC


5.4. Circuito Resistivo Inductivo

En la figura 5.11, se presenta un circuito resistivo inductivo alimentado por una fuente de corrientecontinua, el interruptor es accionado en t = t1.

Figura 5.11: Circuito RL

Para encontrar la corriente para t ≥ t1, se resuelve la ecuación diferencial de primer orden quedescribe el circuito.

5.4.1. Resolución de la Ecuación Diferencial en Corriente:

La condición inicial al operara el interruptor de corriente es cero debido a que este se encuentra enestado abierto.

VDC = Ri(t)+Ldi(t)dt

i(t) = ih(t)+ ip(t)i(t) = ke−

RL t + VDC

R

(5.23)

Sustituyendo el valor de la condición inicial se encuentra el valor de la constate k.

i(t1) = ke−RL t1 + VDC

R↓

k =−VDCR e

RL t1

↓i(t) = VDC

R

(1− e−

RL (t−t1)

) (5.24)

5.4.2. Resolución de la Ecuación Diferencial por Transformada de Laplace

Aplicando la transformada de Laplace a la expresión (5.23) y el cambio de variable de la ecuación(5.18), se obtiene:

VDCs = RI(s)+LsI(s)VDC

s = (R+Ls) I(s)(5.25)

5.5. EJEMPLO 83

Despejando I(s) de la expresión (5.25), se obtiene:

I(s) =VDC

s· 1(R+Ls)

=VDC

R· 1(

1+ s LR

) =VDC

L· 1(R

L + s) (5.26)

Aplicando fracciones parciales a la expresión (5.26), resulta:

I(s) =VDC

Rs− VDC(

s+ RL

)R

(5.27)

Realizando la antitransformada de Laplace, de la expresión (5.27) y devolviendo el cambio devariable, se obtiene:

i(t) =VDC

R

(1− e−

RL t ′)

=VDC

R

(1− e−

RL (t−t1)

)(5.28)


Para observar la tensión y corriente en la carga, simularemos el circuito con una carga resistivade 2Ω, inductiva de 80mH y una fuente de tensión de corriente continua de 10V . El interruptor secierra a los 0,1s, permitiendo la circulación de corriente.

Figura 5.12: Tensión en la carga RL

5.5. Ejemplo

En la figura ,se observa un circuito resistivo inductivo alimentado por una fuente de tensión variableen el tiempo de la forma: v f (t) =

√2V sin(ωt +ν)+VDC, se debe encontrar la corriente que circula

por el circuito.


Figura 5.13: Corriente en la carga RL

Figura 5.14: Circuito resistivo inductivo

5.5.1. Solución Homogénea

ih(t) = ke−RL t (5.29)

Multiplicando el numerador y denominador de la exponencial por ω se obtiene:

ih(t) = ke−ωt

tan(ϕ) (5.30)

donde:

tan(ϕ) =ωLR

5.5.2. Solución Particular Fuente Constante

ip(t) =−VDC

R(5.31)

5.5. EJEMPLO 85

5.5.3. Solución Particular (Régimen Sinusoidal Permanente)

Encontrando la corriente en régimen permanente, utilizando fasores obtenemos:

ip(t) =√

2VZ

sin(ωt +ν−ϕ) (5.32)

donde:

Z =√

R2 +(ωL)2

5.5.4. Solución Total

Condición inicial de corriente en el circuito es cero, debido a que el interruptor se encuentra abiertoi(t1) = 0:

i(t1) = 0 =√

2VZ sin(ωt1 +ν−ϕ)− VDC

R + ke−ωt1

tan(ϕ)

↓k =

(VDC

R −√

2VZ sin(ωt1 +ν−ϕ)

)e

ωt1tan(ϕ)

↓

i(t) =√

2VZ sin(ωt +ν−ϕ)− VDC

R +(

VDCR −

√2VZ sin(ωt1 +ν−ϕ)

)e−

(ωt−ωt1)tan(ϕ)

(5.33)

Sacando factor común√

2V/Z, tenemos:

i(t) =√

2VZ

(sin(ωt +ν−ϕ)− m

cos(ϕ)+(

mcos(ϕ)

− sin(ωt1 +ν−ϕ))

e−(ωt−ωt1)

tan(ϕ)

)(5.34)

donde:

m =VDC√

2V

cos(ϕ) =RZ

Este mismo ejercicio se puede aplicar diferentes métodos para encontrar la solución particular alas fuentes forsantes, como por ejemplo la solución clásica o Laplace. Estos métodos son máslaboriosos que el de régimen sinusoidal permanente y se obtiene la misma respuesta.


5.5.4.1. Solución Particular por el Método Clásico.

ip(t) = Acos(ωt)+Bsin(ωt)dip(t)

dt =−Aω sin(ωt)+Bω cos(ωt)(5.35)

Sustituyendo la expresión de la solución particular (5.35) en la ecuación diferencial, se obtiene:

v f (t) = Ri(t)+Ldi(t)dt

v f (t) = R(Acos(ωt)+Bsin(ωt))+L(−Aω sin(ωt)+Bω cos(ωt))v f (t) = (RA+BωL)cos(ωt)+(RB−AωL)sin(ωt)

(5.36)

Igualando término a término la ecuación (5.36), resulta:

√2V cos(ν)sin(ωt) = (RB−AωL)sin(ωt)√2V sin(ν)cos(ωt) = (RA+BωL)cos(ωt)

(5.37)

Resolviendo el sistema de ecuaciones de la expresión (5.37) se obtienen el valor de A y B

B =√

2V cos(ν−ϕ)

A =√

2V sin(ν)R − BωL

R

(5.38)


Para observar la tensión y corriente en la carga simulamos el circuito con una carga resistiva de 2Ω,inductiva de 80mH y una fuente de tensión de v f (t) = 10 + 10sin(37t). El interruptor se cierra alos 0,1s, permitiendo la circulación de corriente.

Figura 5.15: Tensión y corriente en la carga resistiva inductiva

Capítulo 6

Circuitos Magnéticos


En los circuitos eléctricos, la conexión entre elementos pasivos se realiza por medio de materialesconductores. Estos materiales obligan a la corriente a seguir trayectorias determinadas, obedecien-do las leyes de Kirchhoff. Cuando se estudia los dispositivos electromagnéticos y electromecánicostales como los transformadores y las máquinas eléctricas, se plantea un problema similar, con la ca-nalización y concentración de altas densidades de flujo magnético en trayectorias especificas, estose logra con la utilización de materiales ferro magnéticos. Un circuito magnético está conformadogeneralmente por una estructura de hierro, sobre la cual se bobinan uno o más arrollados por dondecirculan corrientes. Esta corrientes al circular por los devanados dan lugar a los flujos magnéticosque aparecen en el sistema. En la figura 6.1, se presenta un esquema de un circuito magnético conentre hierro.

El cálculo preciso de los flujos magnéticos en un circuito magnético es laboriosa y requiere un altoconsumo de tiempo computacional, además de la utilización correcta de las ecuaciones de Maxwelly de la condición de contorno entre los diferentes medios analizados. Sin embargo, para la mayoríade las aplicaciones de los circuitos magnéticos en Electrotecnia, estos pueden ser resueltos de formaaproximada.

El comportamiento de un circuito magnético viene dado fundamentalmente por la ley de Gauss

Figura 6.1: Esquema de un circuito magnético con entre hierro

87

88 CAPÍTULO 6. CIRCUITOS MAGNÉTICOS

del campo magnético (5 · B = 0) y por el hecho de que en los materiales ferro magnéticos lapermeabilidad es elevada y muy superior a la del vacío (µ >> µ0). Estas condiciones corresponden,en el caso de circuitos eléctricos, a la consideración que en un medio conductor en donde no existacarga eléctrica atrapada la divergencia de la densidad de corriente es cero (5· J = 0). Esto se debea que la conductividad del conductor (σ ) es muy elevada en comparación con la de los materialesaislantes y dieléctricos. Esta similitud hace que se pueda aplicar a los circuitos magnéticos todoslos teoremas de redes analizados en los cursos de teoría de circuitos eléctricos, aunque la resoluciónes algo más laboriosa, debido al carácter no lineal del núcleo ferro magnético.

6.2. Materiales Magnéticos

Las propiedades magnéticas macroscópicas de un material lineal, homogéneo e isotrópico se defi-nen en función de su valor de permeabilidad magnética (µ), que es un coeficiente que expresa laproporcionalidad entre la intensidad del campo magnético (H) y la densidad de campo magnético(B).

B = µH (6.1)

Generalmente la permeabilidad magnética del medio (µ) se expresa en función de la permeabilidadmagnética del vacío (µ0) como:

µ = µr ·µ0 (6.2)

donde:

µr es la permeabilidad magnética del medio respecto al vacío.

µ0 es la permeabilidad magnética del vacío (4π ·10−7 H/m).

Los materiales magnéticos presentan saturación o variación de la permeabilidad a partir de un valorde densidad de campo magnético. Este punto se le conoce como codo de saturación y oscila entrelos 1,0 a 1,2 Teslas. En la figura 6.2 se presenta la característica de permeabilidad para el aceromagnético M-27 utilizado en la fabricación de transformadores.

6.3. Leyes de los Circuitos Magnéticos

La descripción exacta del campo magnético requiere el uso de las ecuaciones de Maxwell, lascondiciones de contorno entre los medios y el conocimiento preciso de las relaciones entre la in-tensidad de campo magnético y su densidad en los medios donde se establece el campo. Comoen el análisis de los circuitos magnéticos las frecuencias de excitación involucradas son relativa-mente bajas (frecuencia industrial), se puede emplear con suficiente exactitud las aproximacionesde campo cuasiestacionario, es decir, se pueden despreciar las corrientes de desplazamiento de lasecuaciones de Maxwell, obteniendo:

6.3. LEYES DE LOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 89

Figura 6.2: Característica de magnetización del material M-27

∮γ

H ·dl =∫

sJ ·ds = ∑ i = Ni = FMM (6.3)

La expresión 6.3, nos indica que la circulación del campo magnético H en un camino cerrado γesigual a la suma de corrientes que atraviesan la superficie circunscrita por el camino. Si existenN espiras llevando cada una la corriente i, la suma de corrientes será igual al producto Ni. Esteproducto se denomina "Fuerza Magnetomotriz" (FMM) y sus unidades son los amper-vueltas (A ·v). La fuerza magnetomotriz es la causa que se establezca un campo magnético en un circuito, deun modo análogo al de la fuerza electromotriz causa en un circuito eléctrico el establecimiento deuna corriente.

En la mayoría de las situaciones prácticas que se suelen dar en el estudio de las máquinas eléctricas,el camino γ elegido para aplicar la ley de Ampére 6.3, coincide con la trayectoria media seguidapor las líneas de campo magnético H. Por otro parte, si el material es homogéneo e isotrópico, lamagnitud de H es la misma en todo el recorrido, de ahí que la expresión 6.3, se pueda escribir deforma escalar como:

H l = FMM = Ni (6.4)

donde:

l representa la longitud magnética media de las líneas de H.


Otro concepto importante que se debe recordar es el de flujo magnético Φ que atraviesa una super-ficie S, que viene definido por:

Φ =∫

sB ·ds (6.5)

Las unidades del flujo magnético son los Webers (Wb). En la práctica la inducción magnética espracticamente constante en la sección transversal de los núcleos ferro magnéticos y además tienela misma dirección que el vector de superficie, por esto la expresión 6.5, se puede escribir como:

Φ = BS (6.6)

Sustituyendo los resultados de las expresiones6.1 y 6.6 en la ecuación 6.4, se obtiene:

FMM = Ni =Blµ

= Φl

µS(6.7)

Si denominamos reluctancia magnética ℜ a:

ℜ≡ lµS

(6.8)

Al inverso de la reluctancia magnética se le conoce como permeanza y se denota con la letra: ℘.

℘=1ℜ

(6.9)

La permeanza magnética tiene unidades de Henrios, sustituyendo la definición 6.8 en la expresión6.7, se obtiene:

FMM = Ni = Φℜ (6.10)

La expresión 6.10, es fundamental para el estudio de los circuitos magnéticos y se le conoce comoley de Hopkinson, o ley de Ohm de los circuitos magnéticos, por su analogía con la ley de Ohmde las redes eléctricas.

e = Ri (6.11)

Como se deduce de las expresiones anteriores, existe una gran analogía entre los circuito eléctricosy magnéticos. Esto hace posible el estudio de los circuitos magnéticos, utilizando las mismas téc-nicas de análisis empleadas en los circuitos eléctricos. Sin embargo, existen diferencias en amboscircuitos que no permiten que las técnicas que se utilizan en el análisis de los circuitos eléctricostengan la misma exactitud en el estudio de los circuitos magnéticos. Esto se debe a que la corrienteen un circuito eléctrico esta limitada al material conductor y la fuga son despreciables en los cir-cuitos magnéticos el flujo no se limita al material ferro magnético sino existe una proporción quecircula por el aire, que se conoce como flujo de dispersión. Esto flujo de dispersión oscila entre undiez a quince por ciento del flujo total. Otro aspecto importante a considerar es la expresión de las

6.3. LEYES DE LOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS 91

Tabla 6.1: Parámetros equivalentes entre los circuitos eléctrico y magnéticosCircuito eléctrico Circuito magnético

e Fuerza electromotriz (V ) FMM Fuerza magnetomotriz (A · v)

J Densidad de corriente (A/m) B Densidad de campo magnético (T )

σ Conductividad (S/m) µ Permeabilidad magnética (H/m)

E Campo eléctrico (V/m) H Intensidad de campo magnético (A · v/m)

i Corriente eléctrica (A) Φ Flujo magnético (Wb)

Figura 6.3: Análogo eléctrico del circuito magnético de la figura 6.1.

líneas de flujo a circular por espacios de aire entre dos piezas magnéticas conocidos como entrehierro.

En la tabla 6.1, se presentan los parámetros equivalentes entre los circuitos eléctricos y magnéticos,así como sus unidades en el sistema internacional de medida.

En la figura 6.3, se representa el análogo eléctrico del circuito magnético de la figura 6.1. En latabla 6.2, se presentan las analogías entre las leyes de los circuitos eléctricos y los magnéticos.

El enlace de flujo de un circuito magnético (λ ) se define como:

λ = NΦ = Li (6.12)

De la expresión 6.12, se puede calcular la inductancia del circuito como:

Tabla 6.2: Leyes equivalentes entre los circuitos eléctricos y magnéticosCircuito eléctrico Circuito magnético

Primera ley de Kirchhoff: ∑ i = 0 Primera ley de Kirchhoff: ∑Φ = 0

Segunda ley de Kirchhoff: ∑e = ∑Ri Segunda ley de Kirchhoff:∑FMM = ∑ℜΦ

∑FMM = ∑H l

Resistencia: R = lσS Reluctancia: ℜ = l

µS

Resistencia en serie: RT = ∑Ri Reluctancia en serie: ℜT = ∑ℜi

Resistencia en paralelo: 1RT

= ∑1Ri

Reluctancia en paralelo: 1ℜT

= ∑1

ℜi


L =λ

i=

NΦ

i(6.13)

Si sustituimos la expresión 6.10, en la ecuación 6.13, obtenemos el valor de la inductancia enfunción de los parámetros geométricos del circuito y características del material.

L =N2

ℜ= N2

℘=N2µS

l(6.14)

6.4. Excitación Sinusoidal

Si alimentamos el circuito magnético de la figura 6.1, con una tensión sinusoidal de la forma v(t) =√2Vrms cos(ωt), se puede determinar el flujo en el material magnético utilizando la ley de Faraday

como:

v(t) =√

2Vrms cos(ωt) =dλ

dt= N

dΦ

dt(6.15)

Integrando la expresión 6.15, obtenemos el flujo como:

Φ =1N

∫ √2Vrms cos(ωt)dt =

√2Vrms

Nωsin(ωt) (6.16)

De la expresión 6.16, se obtiene el valor pico del flujo como:

Φmax =√

2Vrms

N2π f=√

22π

Vrms

N f=

14,44

Vrms

N f(6.17)

Como el circuito posee área transversal constante (At), entonces:

Φmax = Bmax At (6.18)

Sustituyendo la ecuación 6.18 en la expresión 6.17, obtenemos:

Vrms = 4,44ΦmaxN f = 4,44BmaxAtN f (6.19)

El resultado de la expresión 6.19, nos indica que al variar la tensión efectiva de alimentación si-nusoidal de un circuito magnético, es necesario variar en la misma proporción la frecuencia dealimentación a fin de mantener el flujo y la densidad de campo magnético constante.

6.5. TRANSFORMADOR IDEAL 93

Figura 6.4: Esquema del circuito magnético de un transformador de dos devanados

6.5. Transformador Ideal

Un circuito magnético con por lo menos dos bobinas, como el mostrado en la figura 6.4, es ali-mentado por la bobina 1 por una tensión sinusoidal de la forma e1(t) =

√2Vrms cos(ωt). De la

expresión 6.16, el flujo magnético resultante en el circuito es:

Φ(t) =√

2Vrms

N1ωsin(ωt) (6.20)

El flujo por ley de Faraday induce una tensión sobre la bobina 2 de la forma:

e2(t) = N2dΦ(t)

dt= N2

√2Vrms

N1cos(ωt) (6.21)

Realizando el cociente entre las dos tensiones, obtenemos:

e1

e2=

N1

N2(6.22)

La expresión 6.22, nos indica que la relación entre las tensiones inducidas en las dos bobinas delcircuito es igual la relación entre el número de vueltas de ambas bobinas. El cociente entre elnúmero de vueltas de la bobina 1 y el número de vueltas de la bobina 2, se denomina "relación detransformación".

a =N1

N2(6.23)

Por otra parte los amper vuelta de la bobina 1 deben ser iguales a los amper vuelta de la bobina 2,debido a que comparten el mismo circuito magnético.

i1(t)N1 = ℜeqΦ(t) = i2(t)N2 (6.24)

De la expresión 6.24, se obtiene:


i1i2

=N2

N1=

1a

(6.25)

Parte II

Aspectos Generales y Dispositivos

95

Capítulo 7

Introducción

7.1. Reseña Histórica

La electrónica de potencia se desarrollo en base a las técnicas de conversión de energía alterna acontinua, presentes a inicios del siglo XX, con el desarrollo de los sistemas ferroviarios y masivosde pasajeros. En 1902 Cooper - Hewitt desarrollan el primera válvula de descarga parcial de gas,permitiendo funciones periódicas de conexión y desconexión. Estas válvulas podrían manejar hastaun kilo amper (1 kA) a varios kilos voltios de tensión.

Para 1914 Langmuir descubre el principio de control por rejilla de una descarga de arco, estopermite que Loulon en 1922 lo utilice para el control de la tensión mediante una válvula de mercuriocon control de encendido denominada “tiratrón” . Esta componente podría soportar tensiones dehasta 15 kV y corrientes de 20 A.

Durante 1930 un gran número de instalaciones de rectificación se encontraban en operación concapacidades hasta los mega vatios, en estas se utilizaban válvulas de mercurio en el proceso deconversión de energía. Estas instalaciones se utilizaban para cargar baterías desde las redes decorriente alterna monofásicas y trifásicas, para los sistemas de transporte. Con los años, nuevasaplicaciones fueron utilizando las instalaciones rectificadoras lo que impulso aun más su desarro-llo y ampliación en la conversión de altos bloques de energía. Entre las aplicaciones con mayorconsumo de energía tenemos el alumbrado y el transporte masivo de personas. En la figura 7.1,se presenta una válvula de mercurio utilizada para rectificación en 1930 por parte de la empresaPhilips y el esquema de un tiratrón, respectivamente.

Durante los finales de la década de los treinta, se empiezan a instalar estaciones rectificadoras debaja potencia a partir de diodos semi conductores de potencia. En 1950 los Lab. Bell desarrollan elprimer tiratrón en base a la tecnología semi conductora y en 1958 la General Electric lo comerciali-za con el nombre de “Rectificador de Silicio Controlado (SCR)” lo cual inicia un nuevo impulso dela electrónica de potencia lo que trajo como consecuencia que otros dispositivos de baja potenciase fabricasen para requerimientos de alta potencia, entre estos dispositivos encontramos a los BJT,MOSFET’S, FET’S, GTO, SITH, MCT e IGBT.

97

98 CAPÍTULO 7. INTRODUCCIÓN

Figura 7.1: Válvula de mercurio Philips

Figura 7.2: Esquema de un tiratrón

7.2. FUNCIONES BÁSICAS DE LOS CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS DE POTENCIA99

Figura 7.3: Conversión de energía eléctrica

7.2. Funciones Básicas de los Convertidores Electrónicos de Po-tencia

La electrónica de potencia se utiliza principalmente para la conversión de la energía eléctrica, me-diante operaciones controladas de interrupción de tensión y/o corriente, tanto en los sistemas decorriente alterna como de corriente continua. En la figura 7.3, se presentan el esquema de las cuatroformas de conversión de energía eléctrica entre los sistemas de corriente alterna y continua

Rectificación: es el proceso de transformación de corriente alterna a corriente continua.Inversión: es el proceso de transformación de corriente continua a corriente alterna.Conversión DC: es el proceso de transformación de corriente continua a corriente

continua de distinto nivel.Conversión AC: es el proceso de transformación de corriente alterna a corriente alterna de

distinto nivel y/o frecuencia.

Estas cuatro formas de conversión de energía son realizada con los puentes convertidores electróni-cos de la figura 7.4. Estos puentes se pueden utilizar para acoplar sistemas de corriente continua yalterna, así como para alimentar, conectar y desconectar cargas en ambos sistemas de alimentación.

7.3. Aplicaciones

La electrónica de potencia se utiliza e diferentes niveles de tensión y potencia, entre las aplicacionesmas importantes encontramos:

7.3.1. Residencial:

Refrigeradores.

Congeladores.

Aires acondicionados.

Iluminación.


(a) Conversión AC-AC (b) Conversión DC-DC

(c) Conversión DC-AC yAC-DC

Figura 7.4: Convertidores electrónicos de potencia

Equipos electrónicos (computadores y equipos de entretenimiento).

Puertas de estacionamiento.

Iluminación.

Computadores.

Electrodomésticos.

7.3.2. Comercial:

Aire acondicionado.

Ventiladores.

Calefacción.

Iluminación.

Equipos de oficina.

Elevadores.

Escaleras mecánicas.

Fuentes ininterrumpidas de potencia (UPS).

7.3. APLICACIONES 101

7.3.3. Industrial:

Bombas.

Compresores.

Control de máquinas eléctricas.

Robótica.

Hornos de inducción y arco.

Láser industriales.

Electro filtros.

Calderas.

Soldadoras.

7.3.4. Transporte:

Control de vehículos eléctricos.

Cargadores de batería.

Locomotoras eléctricas.

Subterráneos y Tranvías.

Trole buses.

7.3.5. Transmisión y Otras Utilidades:

Transmisión en corriente continua (HVDC).

Compensadores de reactivos (SVS).

Fuentes suplementarias de energía.

Fuentes de poder.


7.4. Dispositivos Semiconductores de Potencia

7.4.1. Diodo

Es el dispositivo más básico de la electrónica de potencia, esta constituido por una juntura semiconductora NP su encendido se realiza cuando la tensión entre su ánodo y cátodo supera la tensiónde ruptura de la componente (vak ≥ vto). Esta tensión de ruptura se encuentra en baja potenciaalrededor de 0,7V para componentes en silicio y en 0,3V para germanio. En electrónica de potencialos diodos son de silicio y su tensión de ruptura esta en el rango de 1V a 2V . En la figura 7.5, sepresenta el símbolo eléctrico del dispositivo y su esquema como semiconductor.

(a) Símbolo

(b) Esquema Semiconductor

(c) Foto

Figura 7.5: Diodo

El apagado de esta componente se realiza cuando la corriente cruce por cero (iD = 0) lo cualorigina la restitución de la barrera de potencial en la juntura NP. En la figura 7.6, se presenta lacurva de tensión corriente del diodo, esta característica depende de la temperatura de operaciónde la componente. En la gráfica se puede observar que la componentes no comienza a conducircorriente hasta que la tensión entre sus terminales no es mayor a la tensión de ruptura (vak ≥ vto),generalmente este dato así como el inverso de la pendiente de curva en la zona de conducción (RD)son suministrados por el fabricante en la hoja de datos del dispositivo.

En la tabla 7.1, se presentan las principales características de los diodos que existen actualmente enel mercado:

7.4. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA 103

Figura 7.6: Característica real del diodo

Tabla 7.1: Tipos de diodos

Tipo Tensión (kV) Corriente (kA) Frecuencia (kHz)Uso General 5.0 5.0 1.0

6.0 3.5 1.00.6 9.57 1.02.8 1.7 20.0

Alta Velocidad 4.5 1.95 20.06.0 1.1 20.00.6 .017 30.0

Schottky 0.15 0.08 30.0

Debido a que la tensión de ruptura de los diodo es inferior al 0.1 % de la tensión en conducción sepuede idealizar la curva característica de la componente mostrada en la figura 7.6, para los fines deanálisis y consideraciones del efecto sobre la carga y red de alimentación, a la característica que semuestra en la figura 7.7.

7.4.2. Tiristor

El Tiristor o SCR esta conformado por tres junturas NP en serie, este dispositivo reemplazo al lostiratrones y posee controlo de encendido a través del suministro de un pulso de corriente en el ordende los 20mA en la compuerta de disparo o gate, adicionalmente requiere polarización ánodo cátodopositiva (vak > 0) . Su apagado al igual que los diodos depende de que la corriente cruce por cero.En la figura 7.8, se presenta su simbología, terminales y esquema como semiconductor. Adicional-mente, en la figura 7.9 se presenta la forma de construir un tiristor a partir de dos transistores BJT(PNP y NPN).


Figura 7.7: Característica ideal del diodo

(a) Símbolo

(b) Esquema como Semiconductor

(c) Foto

Figura 7.8: Tiristor o SCR


(a) Esquema Semiconductor

(b) Esquema por Componentes

Figura 7.9: Tiristor a partir de transistores

En la figura 7.10, se presenta la característica tensión corriente del dispositivo, la tensión de rupturade los tiristores se encuentra entre 1V y los 2V aproximadamente.

Figura 7.10: Característica de los tiristores

En la tabla 7.2, se presentan las principales características de los tiristores que existen actualmenteen el mercado:


Tabla 7.2: Tipos de tiristores

Tipo Tensión (kV) Corriente (kA) Frecuencia (kHz)Bloque Inverso 4.5 3.0 20.0

6.0 2.3 20.04.5 3.7 20.0

Conmutados por línea 6.5 4.2 0.062.8 1.5 0.065.0 4.6 0.065.0 3.6 0.065.0 5.0 0.06

Alta Velocidad 2.8 1.85 20.01.8 2.1 20.0

Bidireccionales 4.2 1.92 20.0RCT (Con diodo en antiparalelo) 2.5 1.0 20.0

Conducción Inversa 2.5 1.0 5.0Gatt (Tracción) 1.2 0.40 20.0

Fototiristor o Lumínicos 6.0 1.5 0.400

Al igual que los diodos, la tensión de ruptura de los tiristores es inferior al 0.1 % de la tensión enconducción, esto permite idealizar la curva característica de la componente mostrada en la figura7.10, para los fines de análisis y consideraciones del efecto sobre la carga y red de alimentación, ala característica que se muestra en la figura 7.11.

Figura 7.11: Característica ideal del tiristor

7.4.3. Triac

El Triac esta conformado por dos tiristores en antiparalelo, también se le conoce como relé de estasólido y su aplicación más común es la del los dimer de luz para bombillos incandescentes. Ambos


tiristores se construyen sobre la misma pastilla de silicio con la finalidad que tengan característicassimilares a fin que la onda sea simétrica en ambos semi ciclos de operación, esta componente esbidireccional en corriente. En la figura 7.12, se presenta el símbolo del dispositivo.

(a) Símbolo

(b) Foto

Figura 7.12: Triac

La ventaja de utilizar este dispositivo en lugar de dos tiristores en conflagración anti paralelo es quesolo se requiere un circuito de disparo. En la figura 7.13, se presenta la característica de tensióncorriente del dispositivo.

Figura 7.13: Característica del triac

En la tabla 7.3, se presentan las principales características de los triac que existen actualmente enel mercado:


Tabla 7.3: Tipos de triac

Tipo Tensión (kV) Corriente (kA) Frecuencia (kHz)Uso General 1.2 0.3 0.4

En la figura 7.14, se presenta la característica ideal de la componente que se utilizara para el análisistanto en la carga como en la fuente de alimentación.

Figura 7.14: Característica ideal del triac

7.4.4. Tiristores Auto Desactivables

Estos dispositivos tienen control de encendido y apagado a través de la compuerta, dependiendo latecnología de diseño los requerimientos de encendido y apagado difieren entre uno y otro. Para elcaso del GTO que se basa en la tecnología de los tiristores se requiere para su encendido tensiónpositiva ánodo cátodo y un pulso de corriente por el gate de 20mA, mientras que para el apagadose requiere un pulso de corriente que puede oscilar hasta un 10% de la corriente de conducción. ElMCT que se basa en la tecnología de los transistores BJT requiere para su encendido y apagado,la existencia o no de un pulso de corriente, este pulso depende de la ganancia h f e del componentey de la corriente de conducción. El SITH esta basado en la tecnología de los MOSFET y requierepara el encendido y apagado un pulso de tensión en el gate adicionalmente de la polarización endirecto al igual que el MCT. Otros tiristores auto desactivables de tecnología híbrida son: el MTOfue desarrollado por Silicon Power Company y es una combinación de un GTO y un MOSFETpara realizar el apagado de la componente. El ETO es un dispositivo que combina el MOS y GTOtomando las ventajas de ambas componentes, el manejo de potencia del GTO y el encendido yapagado por tensión del MOS. El ETO fue inventado en el Virginia Power Electronics Center, encolaboración con SPO. El IGCT es la combinación de un GTO de conmutación permanente, conun activador de compuerta en tarjeta de circuito impreso multicapa que toma la corriente del cátodopor un 1µs y la aplica en el gate para el apagado de la componente. En la figura 7.15, se presentael símbolo de los diferentes tiristores auto desactivables. En la figura 7.16se presenta la foto de unGTO.


(a) GTO (b) IGCT

(c) MCT (d) SITH

(e) MTO (f) ETO

Figura 7.15: Tiristores auto desactivables (símbolo y esquema)

Figura 7.16: GTO

En la figura 7.17, se presenta la característica de tensión corriente de los tiristores auto desactiva-bles.

En la tabla 7.4, se presentan las principales características de los tiristores auto desactivables queexisten actualmente en el mercado:


Figura 7.17: Característica de los tiristores auto desactivables

Tabla 7.4: Tipos de tiristores auto desactivables

Tipo Tensión (kV) Corriente (kA) Frecuencia (kHz)GTO 4.5 4.0 10.0

HD-GTO 4.5 3.0 10.0Pulso-GTO 5.0 4.6 10.0

MCT 4.5 0.25 5.01.4 0.065 5.0

MTO 4.5 0.5 5.0ETO 4.5 4.0 5.0IGCT 4.5 3.0 5.0SITH 4.0 2.2 20.0

A igual que los tiristores la tensión de ruptura de los componentes auto desactivables son menoresal 0,1%de la tensión de diseño por lo cual la característica de la figura 7.17, se puede idealizara fines de realizar lo análisis del impacto en la carga y fuente de alimentación de convertidoresconstruidos con este tipo de dispositivo. Se puede destacar que estos componentes solo permitenla conducción unidireccional de la corriente. En la figura 7.18, se presente la característica ideal delos tiristores auto desactivables.


Figura 7.18: Característica ideal de los tiristores auto desactivables

7.4.5. Transistores BJT

Los transistores BJT más utilizados en la electrónica de potencia son los NPN, y su operación secentra en corte y saturación, es decir, como interruptor electrónico. En la figura 7.19, se presenta essímbolo de un transistor NPN destacando sus terminales. Recordemos que para que un transistorNPN se encuentre polarizado es necesario que la tensión del colector sea mayor a la de la base y estamayor que la del emisor (vC > vB > vE) en por lo menos 0,7V . La polarización de este dispositivose realiza por corriente y es de la forma:

ibase =icolector

hhe=

iemisor

(hhe +1)(7.1)

Figura 7.19: Transistor NPN

Para operar el transistor en corte es necesario suministra cero corriente por la base, generalmentepar evitar operaciones no deseadas que pudiesen colocar el dispositivo en la zona activa de ope-ración por corrientes inducidas en los circuitos de disparo se coloca corriente negativa en la basea fin de garantizar la operación en corte de la componente. La condición para operar el transistoren saturación es que la corriente de la base debe ser mayor o igual a la del colector en conducciónentre la ganancia de corriente del dispositivo o h f e.


Figura 7.20: Característica del transistor NPN

Figura 7.21: Característica ideal del transistor en corte y saturación

ibasesaturacin ≥(icolectoroperacin

) 1h f e

(7.2)

En la figura 7.20, se presenta la característica de operación del transistor NPN, se puede observarcomo la zona de operación de la componente depende de la corriente de base utilizada para supolarización. La ganancia (h f e) típica de los transistores de potencia en corriente esta alrededor de50.

En la figura 7.21, se presenta la característica ideal de la componente como interruptor electrónico,es decir, en la zona de corte y saturación. Esta componente es unidireccional en corriente y requieresiempre la presencia de la señal en la base para su operación.

En la tabla 7.5, se presentan las principales características de los transistores BJT de potencia queexisten actualmente en el mercado:

Tabla 7.5: Tipos de transistores BJT de potencia

Tipo Tensión (kV) Corriente (kA) Frecuencia (kHz)Individual 0.4 0.25 25.0Individual 0.4 0.04 30.0Individual 0.63 0.05 35.0Darlington 1.2 0.40 20.0


(a) Símbolo

(b) Foto

Figura 7.22: MOSFET

7.4.6. MOSFET

Los MOSFET más utilizados en electrónica de potencia son los canal N, su símbolo se presentan enla figura 7.22, al igual que los transistores BJT su operación se reduce a interruptor electrónica, esdecir, en corte y operación. La ventaja de este dispositivo en relación con el BJT es su polarizaciónen tensión y alta impedancia de entrada. En la figura 7.23, se presenta la característica de operaciónde los MOSFET en función de la tensión gate source.

En la tabla 7.6, se presentan las principales características de los transistores MOSFET de potenciaque existen actualmente en el mercado:

Tabla 7.6: Tipos de transistores MOSFET de potencia

Tipo Tensión (kV) Corriente (kA) Frecuencia (kHz)Individual 0.8 0.0075 100.0Indivudual 0.15 0.6 100.0

COOLMOS 0.8 0.0078 125.0COOLMOS 0.6 0.04 125.0COOLMOS 1.0 0.0061 125.0

En la figura 7.21, se presenta la característica ideal de la componente como interruptor electrónico,


Figura 7.23: Característica de operación del MOSFET

es decir, en la zona de corte y saturación. Esta componente es unidireccional en corriente y requieresiempre la presencia de la señal en el gate para su operación.

Figura 7.24: Característica ideal de corte y saturación del MOSFET

7.4.7. IGBT

Los transistores de compuerta aislada o IGBT combinan las características de los MOSFET de altaimpedancia de entrada y polarización en tensión con la baja impedancia de salida de los BJT loque ocasiona alta ganancia de corriente. Esta componente se construye colocando en cascada unMOSFET que polariza un par de BJT, su símbolo y esquema interno se presenta en la figura 7.25.


(a) Símbolo

(b) Esquema Interno

(c) Foto

Figura 7.25: IGBT

En la figura 7.26, se presenta la característica de operación del IGBT, en función de la tensión baseemisor de polarización (vBE).

Figura 7.26: Característica de operación del IGBT


En la tabla 7.7, se presentan las principales características de los transistores IGBT de potencia queexisten actualmente en el mercado:

Tabla 7.7: Tipos de transistores IGBT de potencia

Tipo Tensión (kV) Corriente (kA) Frecuencia (kHz)Individual 2.5 2.4 100.0Individual 1.2 0.052 100.0Individual 1.2 0.025 100.0Individual 1.2 0.08 100.0Individual 1.8 2.2 100.0

HVIGBT (Sensillo) 6.5 1.2 100HVDIODE (Dual) 6.5 1.2 100

En la figura 7.27, se presenta la característica ideal de operación del IGBT como interruptor elec-trónico de potencia, es decir en corte y saturación.

Figura 7.27: Característica ideal de corte y saturación del IGBT

7.4.8. SIT

El SIT es el FET de electrónica de potencia, su símbolo se presenta en la figura 7.28, su aplicaciónse reserva para altas frecuencias.

Figura 7.28: SIT

7.5. CLASIFICACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA. 117

En la figura 7.29, se presenta la característica de operación del dispositivo en función de la tensiónde polarización gate source y su característica ideal como interruptor electrónico.

(a) Real (b) Interruptor Electrónico

Figura 7.29: Características de operación del SIT

En la tabla 7.8, se presentan las principales características de los transistores SIT de potencia queexisten actualmente en el mercado:

Tabla 7.8: Tipos de transistores SIT de potencia

Tipo Tensión (kV) Corriente (kA) Frecuencia (kHz)Individual 1.2 0.30 100.0

7.5. Clasificación de los Semiconductores de Potencia.

Los semiconductores de potencia se pueden clasificar de acuerdo a su grado de controlabilidad parael encendido y apagado, así como por su capacidad de soportar corriente y tensión unidireccionalo bidireccional como:

Activación y desactivación sin control.

Activación controlada y desactivación sin control.

Activación y desactivación controlada.

Requerimiento de encendido por nivel de compuerta.

Requerimiento de encendido por flanco de compuerta.

Capacidad de tensión bipolar.

Capacidad de tensión unipolar.

Corriente bidireccional.


Corriente Unidireccional.

En la tabla 7.9, se presentan las característica de conmutación de cada uno de los semiconductoresde potencia de acuerdo a su grado de controlabilidad.

Tabla 7.9: Características de conmutación de los semiconductores de potencia

Dispositivo Señal de Compuerta Control Tensión CorrienteContinua Pulso Encendido Apagado Unipolar Bipolar Unidireccional Bidireccional

Diodo X XBJT X X X X X

MOSFET X X X X XIGBT X X X X XSIT X X X X XSCR X X X XRCT X X X X

TRIAC X X X XGTO X X X X XMTO X X X X XETO X X X X XIGCT X X X X XSITH X X X X XMCT X X X X X

En la figura 7.30, se presenta los niveles de potencia manejados por los diferentes fabricantes dedispositivos electrónicos de potencia para principios del año 2000, en lo relativo a IGBT, Tiristores,GTO y MOSFET.

7.6. Selección de Semiconductores de Potencia

La selección de un dispositivo de potencia, para una determinada aplicación, no depende única-mente de los niveles de la tensión y corriente requeridos, también dependen de su característicade conmutación, niveles de perdidas en los tres estados de operación (conducción, bloqueo y con-mutación), y del grado de controlabilidad y frecuencia para encendido y apagado que requiera laaplicación. Los niveles de perdidas que pueden manejar la componente depende de su capacidadde disipación de calor al medio ambiente que esta estrechamente ligada con su disipador.

7.7. Ventajas y Desventajas de la Electrónica de Potencia

Los dispositivos semiconductores de potencia permite realizar puentes convertidores electrónicos,eficientes que permiten mejorar las prestaciones estáticas y dinámicas de los procesos de conversiónde energía eléctrica, originando procesos más eficientes debido a la capacidad de conmutar grandes

7.7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA 119

Figura 7.30: Intervalo de potencia de los semiconductores de potencia comerciales a principios desiglo.


bloques de energía con mínimas pérdidas. Estos incrementos en las prestaciones y eficiencia selogra al combinar distintas áreas del conocimiento dentro de las aplicaciones de la electrónica depotencia. En la figura 7.31, se presentan algunas de las áreas que interactúan dentro de la electrónicade potencia.

Figura 7.31: Multidisciplinaridad de la electrónica de potencia

La conmutación de altos bloques de energía trae consigo la introducción de contaminación armó-nica en tensión y corriente sobre las líneas de alimentación, problemas de resonancia, interferenciaelectromagnética, fallas de aislación, entre otras. Estos problemas pueden solucionarse mediantefiltros pasivos y/o activos o mejorando las estrategia de conmutación de los puentes electrónico.

Parte III

Puentes Convertidores AC - DC

121

Capítulo 8

Rectificadores de Media Onda NoControlado


Un rectificador convierte la corriente alterna en corriente continua. La finalidad de un rectificadorpuede ser generar una onda de tensión o corriente continua pura o con una componente determinadade corriente continua. En la practica los rectificadores de media onda se utilizan en las aplicacionesde baja potencia debido a que estos introducen sobre el sistema de alterna, corriente media concontenido diferente de cero lo cual ocasiona problemas de saturación en las máquinas eléctricas, enespecial en los transformadores. Aunque sus aplicaciones son limitadas, merece la pena su estudioya que este su compresión permitirá el análisis de configuraciones más compleja de los puentesconvertidores de electrónica de potencia. En la figura 8.1, se presenta la configuración de estepuente convertidor.

Figura 8.1: Puente rectificador de media onda

En este capitulo centraremos el estudio de los rectificadores de media onda alimentados con fuentessinusoidales, su análisis con otro tipo de alimentación alterna es análogo. Para activar el diodoo derrumbar la barrera de potencial de la juntura NP, se requiere su polarización en directo esdecir, 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 estoes polarizando el dispositivo en inverso, es decir con tensión ánodo - cátodo negativa (vak < 0), oesperar que la corriente pase naturalmente por cero (i(tβ ) = 0), esto trae como consecuencia que elapagado del diodo dependa de la naturaleza de la carga, en pocas palabras del adelanto o atraso delcruce por cero de la corriente con respecto a la tensión.

123

124 CAPÍTULO 8. RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA NO CONTROLADO

Para el estudio del puente rectificador es necesario realizar algunas definiciones que nos serán útilespara 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 porla 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 porla 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 esta definidopor:

γ = β −α (8.1)

8.2. Rectificador con Carga Resistiva

En la figura 8.2, se presenta en puente rectificador de media onda con carga pura resistiva. Elpunte esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal dada por la expresión: v f (t) =√

2V sin(ωt).

Figura 8.2: 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 deldiodo 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 α = 0.

Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0). La corriente para 0≤ t ≤ tβ es:

8.2. RECTIFICADOR CON CARGA RESISTIVA 125

i(t) =v f (t)

R=√

2V sin(ωt)R

(8.2)

La corriente de la expresión (8.2) pasa naturalmente por cero en ωtβ = π , por lo tanto el ángulo deapagado es β = π .

En la figura 8.3, se presenta la corriente y la tensión en la carga resistiva y la fuente de alterna deeste puente convertidor no controlado.

Figura 8.3: Corriente y tensión para la carga resistiva

Como el circuito de la figura 8.2 es un circuito serie la corriente por la carga es la misma corrientepor la fuente de corriente alterna. En la figura 8.4, se presentan los contenidos armónicos de tensióny corriente en la carga. Se puede observar que el mayor contenido armónico luego de la fundamentalse obtiene en la armónica cero correspondiente al valor medio y la segunda armónica y como lasarmónicas de alto orden son cero.


Figura 8.4: Contenido armónico de la corriente y tensión en la carga resistiva

Para encontrar la tensión y corriente media y efectiva se aplicara la definición en vista anteriormenteen el intervalo del periodo en donde la función esta definida, que es entre el ángulo de encendido yel de apagado de la componente.

8.2.1. Tensión Media

V0 = 12π

∫β

α

√2V sin(ωt)dωt

V0 =√

2V2π

(−cos(ωt)|β

α

)V0 =

√2V

2π

(−cos(ωt)|π0

)V0 =

√2V

2π(1− (−1))

V0 =√

2Vπ

(8.3)

8.2.2. Corriente Media

I0 = 12π

∫β

α

√2V

R sin(ωt)dωt

I0 =√

2V2πR

(−cos(ωt)|β

α

)I0 =

√2V

2πR

(−cos(ωt)|π0

)I0 ==

√2V

2πR (1− (−1))I0 =

√2V

πR = V0R

(8.4)

8.3. RECTIFICADOR CON CARGA RESISTIVA INDUCTIVA 127

8.2.3. Tensión Efectiva

Vrms =

√1

2π

∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt

Vrms =√

V 2

π

∫β

α(1− cos(2ωt))dωt

Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣π0

)Vrms =

√V 2

2π

(π−0− sin(2π)

2 + sin(0)2

)Vrms =

√V 2

2π·π = V√

2

(8.5)

8.2.4. Corriente Efectiva

Irms =

√1

2π

∫β

α

(√2V

R sin(ωt))2

dωt

Irms =√

V 2

R2π

∫β


Irms =

√V 2

R22π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Irms =

√V 2

R22π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣π0

)Irms =

√V 2

R22π

(π−0− sin(2π)

2 + sin(0)2

)Irms =

√V 2

R22π·π = V√

2R

(8.6)

8.2.5. Factor de Rizado

FR =

√(V√

2

)2−(√

2Vπ

)2

√2Vπ

=

√π2

4−1 = 1,21 (8.7)

8.3. Rectificador con Carga Resistiva Inductiva

En la figura 8.5, se presenta en puente rectificador de media onda con carga resistiva inductiva. Elpunte esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal dada por la expresión: v f (t) =√

2V sin(ωt).


Figura 8.5: Puente rectificador de media onda no controlado con carga resistiva inductiva

Considerando el diodo ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el ángulo de encendido deldiodo 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 α = 0 .

Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0). La corriente para es:

Solución Homogénea.

ih(t) = ke−RL t (8.8)


ih(t) = ke−ωt

tan(ϕ) (8.9)

donde:

tan(ϕ) =ωLR

Solución Particular (Régimen Sinusoidal Permanente)


ip(t) =√

2VZ

sin(ωt−ϕ) (8.10)

donde:

Z =√

R2 +(ωL)2


Solución Total

La solución Total se obtiene de las expresiones (8.9) y (8.10) como:

i(t) =√

2VZ

sin(ωt−ϕ)+ ke−ωt

tan(ϕ) (8.11)

La condición inicial del circuito debido a que el diodo se encuentra abierto o en no conducción escero: i(0) = 0, por la tanto el valor de k, se puede determinar como:

i(0) = 0 =√

2VZ sin(0−ϕ)+ ke−

0tan(ϕ)

↓k =−

√2VZ sin(−ϕ) =

√2VZ sin(ϕ)

↓i(t) =

√2VZ sin(ωt−ϕ)+

√2VZ sin(ϕ)e−

ωttan(ϕ)

(8.12)


2V/Z tenemos:

i(t) =√

2VZ

[sin(ωt−ϕ)+ sin(ϕ)e−

ωttan(ϕ)

](8.13)

La corriente de la expresión (8.13) pasa naturalmente por cero cuando i(tβ ) = 0, por lo tanto elángulo de apagado se calcula igualando esta ha cero. La ecuación (8.13) se hace cero si V = 0 oZ = ∞, estas dos soluciones son triviales e implican que el circuito no esta alimentando por ningunafuente de tensión o no posee carga conectada, por lo cual la única forma que la expresión (8.13) seacero es que el termino entre corchetes sea igual ha cero para tβ .

[sin(ωtβ −ϕ

)+ sin(ϕ)e−

ωtβ

tan(ϕ)

]=[

sin(β −ϕ)+ sin(ϕ)e−β

tan(ϕ)

]= 0 (8.14)

La expresión (8.14) no posee una solución analítica para β , este tipo de expresión se le conocecomo ecuación trascendental y su solución es numérica. Diversos métodos de solución numérica sepueden emplear para la solución de esta ecuación. La solución del ángulo de apagado esta acotadaentre π ≤ β ≤ 2π para cualquier caso. En la figura 8.6, se presenta la gráfica de la solución de estaexpresión para diferentes valores del ángulo .

En la figura 8.7, se presentan las forma de onda de la tensión y corriente en la carga y fuentede alterna de este puente convertidor, para una fuente de v f (t) =

√2120sin(377t), R = 60Ω y

L = 223mH . Para esta carga el ángulo de apagado es β = 4,1351rad = 236,9233


Figura 8.6: Solución gráfica a la expresión (8.14)

Figura 8.7: Corriente y tensión en la carga RL

Como el circuito de la figura 8.5, es un circuito serie la corriente por la carga es la misma corrientepor la fuente de corriente alterna. En la figura 8.8, se presentan los contenidos armónicos de tensióny corriente en la carga. Se puede observar que el mayor contenido armónico luego de la fundamentalse obtiene en la armónica cero correspondiente al valor medio y la segunda armónica y como lasarmónicas de alto orden son cero.


Figura 8.8: Contenido armónico de la corriente y tensión en la carga RL

Para encontrar la tensión y corriente media y efectiva se aplicara la definición en vista anteriormenteen el intervalo del periodo en donde la función esta definida, que es entre el ángulo de encendido(α) y el de apagado de la componente (β ).


V0 = 12π

∫β

α

√2V sin(ωt)dωt

V0 =√

2V2π

(−cos(ωt)|β0

)V0 =

√2V

2π(1− cos(β ))

(8.15)


I0 = 12π

∫β

αi(t)dωt

I0 = 12π

∫β

α

(√2VZ


ωttan(ϕ)

])dωt

I0 =√

2VZ

[1

2π

∫β

α

(sin(ωt−ϕ)+ sin(ϕ)e−

ωttan(ϕ)

)dωt

]I0 = V0

R =√

2V2πR (1− cos(β ))

(8.16)



Vrms =

√1

2π

∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt

Vrms =√

V 2

π

∫β


Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣β0

)Vrms =

√V 2

2π

(β −0− sin(2β )

2 + sin(0)2

)Vrms = V

√1

2π·(

β − sin(2β )2

)

(8.17)

Nota: La expresión (8.17) solo es válida en radianes


Irms =√

12π

∫β

αi(t)2dωt

Irms =

√1

2π

∫β

α

(√2VZ


ωttan(ϕ)

])2dωt

Irms =√

2VZ

√1

2π

∫β

α


ωttan(ϕ)

)2dωt

(8.18)

8.3.5. Factor de Rizado en Tensión

FR =

√(V√

12π·(

β − sin(2β )2

))2

−(√

2V2π

(1− cos(β )))2

√2V

2π(1− cos(β ))

(8.19)

En la figura 8.9, se presenta la solución gráfica en función del ángulo de la corriente media yefectiva normalizada en la carga, es decir la solución de las integrales de las expresiones (8.16) y(8.18).

Donde:

I0 =√

2VZ

· Imedia (8.20)

Irms =√

2VZ

· Ie f ectiva (8.21)

8.4. RECTIFICADOR CON CARGA INDUCTIVA 133

Figura 8.9: Corriente media y efectiva normalizada en función del ángulo ϕ

8.4. Rectificador con Carga Inductiva

En la figura 8.10, se presenta en puente rectificador de media onda con carga inductiva pura. Elpunte esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal dada por la expresión: v f (t) =√

2V sin(ωt).

Figura 8.10: Puente rectificador de media onda no controlado con carga inductiva


Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0). Para encontrar la corriente para 0 ≤ t ≤ tβ , se puede utilizar el resultado delcircuito RL con Z = ωL y ϕ = π/2 que corresponden al caso inductivo puro.


i(t) =√

2VZ


ωttan(ϕ)

]↓

i(t) =√

2VωL

[sin(ωt− π

2

)+ sin

(π

2

)e− ωt

tan( π2 )]

↓i(t) =

√2V

ωL

[sin(ωt− π

2

)+1]

↓i(t) =

√2V

ωL [1− cos(ωt)]

(8.22)


[1− cos

(ωtβ)]

= 1− cos(β ) = 0 (8.23)

Despejando β de la expresión (8.23), se obtiene:

cos(β ) = 1↓

β = 2π

(8.24)

En la figura 8.11, se presenta la tensión y corriente en la carga y fuente de alterna de este puenteconvertidor, para una fuente de v f (t) =

√2120sin(377ωt), y L = 223mH.

Figura 8.11: Corriente y tensión en la fuente y carga inductiva


Como el circuito de la figura 8.10, es un circuito serie la corriente por la carga es la misma corrientepor la fuente de corriente alterna. En la figura 8.12, se presentan los contenidos armónicos detensión y corriente en la carga. Se puede observar que el mayor contenido armónico luego de lafundamental se obtiene en la armónica cero correspondiente al valor medio y las armónicas otrasarmónicas son de valor cero.

Figura 8.12: Contenido armónico de corriente y tesnión en la carga inductiva



V0 = 12π

∫β

α

√2V sin(ωt)dωt

V0 =√

2V2π

(−cos(ωt)|2π

0

)V0 =

√2V

2π(1−1)

V0 = 0

(8.25)


I0 = 12π

∫β

αi(t)dωt

I0 = 12π

∫β

α

(√2V

ωL [1− cos(ωt)])

dωt

I0 =√

2VωL

[1

2π

∫ 2π

α[1− cos(ωt)]dωt

]I0 =

√2V

ωL

[ 12π

(2π)]=

√2V

ωL

(8.26)



Vrms =

√1

2π

∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt

Vrms =√

V 2

π

∫β


Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣2π

α

)Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣2π

0

)Vrms =

√V 2

2π

(2π−0− sin(4π)

2 + sin(0)2

)Vrms = V

√1

2π· (2π)

Vrms = V

(8.27)


Irms =√

12π

∫β

αi(t)2dωt

Irms =

√1

2π

∫ 2π

α

(√2V

ωL [1− cos(ωt)])2

dωt

Irms =√

2VωL

√1

2π

∫ 2π

α

(1−2cos(ωt)+(cos(ωt))2

)dωt

Irms =√

2VωL

√1

4π

∫ 2π

α(3−4cos(ωt)+ cos(2ωt))dωt

Irms =√

2VωL

√6π

4π

Irms =√

3VωL

(8.28)

8.5. Rectificador con Carga Resistiva Capacitiva

En la figura 8.13, se presenta en puente rectificador de media onda con carga resistiva capacitiva.El punte esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal.

Figura 8.13: Puente rectificador de media onda no controlado con carga resistiva capacitiva

8.5. RECTIFICADOR CON CARGA RESISTIVA CAPACITIVA 137


Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0). La corriente para 0≤ t ≤ tβ es:

Solución Homogénea.

ih(t) = ke−1

RC t (8.29)


ih(t) = ke−ωt tan(ϕ) (8.30)

donde:

tan(ϕ) =1

ωCR

Solución Particular (Régimen Sinusoidal Permanente)


ip(t) =√

2VZ

sin(ωt +ϕ) (8.31)

donde:

Z =

√R2 +

(1

ωC

)2

Solución Total

La solución Total se obtiene de las expresiones (8.30) y (8.31) como:

i(t) =√

2VZ

sin(ωt +ϕ)+ ke−ωt tan(ϕ) (8.32)

La condición inicial del circuito debido a que el diodo se encuentra abierto o en no conducción escero: i(0) = 0, por la tanto el valor de k, se puede determinar como:


i(0) = 0 =√

2VZ sin(0+ϕ)+ ke−0tan(ϕ)

↓k =−

√2VZ sin(ϕ) =−

√2VZ sin(ϕ)

↓i(t) =

√2VZ sin(ωt +ϕ)−

√2VZ sin(ϕ)e−ωt tan(ϕ)

(8.33)


2V/Z tenemos:

i(t) =√

2VZ

[sin(ωt +ϕ)− sin(ϕ)e−ωt tan(ϕ)

](8.34)


[sin(ωtβ +ϕ

)− sin(ϕ)e−ωtβ tan(ϕ)

]=[sin(β +ϕ)− sin(ϕ)e−β tan(ϕ)

]= 0 (8.35)

La expresión (8.35) no posee una solución analítica para β , este tipo de expresión se le conocecomo ecuación trascendental y su solución es numérica. Diversos métodos de solución numérica sepueden emplear para la solución de esta ecuación. La solución del ángulo de apagado esta acotadaentre π/2≤ β ≤ π para cualquier caso.


√2120sin(ωt), R = 60Ω y C =

0,1mF . Para esta carga el ángulo de apagado es β = 2,5967rad = 148,7797. En la figura se puedeobservar el proceso de carga del capacitor a la tensión pico de la sinusoidal.


Figura 8.14: Corriente y tensión en la carga resistiva capacitiva

Como el circuito de la figura 8.14, es un circuito serie la corriente por la carga es la misma corrientepor la fuente de corriente alterna. En la figura 8.15, se presentan los contenidos armónicos detensión y corriente en la carga. Se puede observar que el mayor contenido armónico de la corrientecomparado con el de tensión.

Figura 8.15: Contenido armónico de corriente y tensión en la carga resistiva capacitiva

Para encontrar la tensión y corriente media y efectiva se aplicara la definición en vista anteriormenteen el intervalo del periodo en donde la función esta definida, que es entre el ángulo de encendido y


el de apagado de la componente. Estos resultados son válidos para el primer periodo de operacióndel puente rectificador.


V0 = 12π

∫β

α

√2V sin(ωt)dωt

V0 =√

2V2π

(−cos(ωt)|β

α

)V0 =

√2V

2π(cos(α)− cos(β ))

(8.36)


I0 = 12π

∫β

αi(t)dωt

I0 = 12π

∫β

α

(√2VZ

[sin(ωt +ϕ)− sin(ϕ)e−ωt tan(ϕ)

])dωt

I0 =√

2VZ

[1

2π

∫β

α

(sin(ωt−ϕ)− sin(ϕ)e−ωt tan(ϕ)

)dωt

]I0 = V0

R =√

2V2πR (cos(α)− cos(β ))

(8.37)


Vrms =

√1

2π

∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt

Vrms =√

V 2

π

∫β


Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Vrms =

√V 2

2π

(β −α− sin(2β )

2 + sin(2α)2

)Vrms = V

√1

2π·(

γ− sin(2β )2 + sin(2α)

2

)

(8.38)

Nota: La expresión (8.38) solo es válida en radianes


Irms =√

12π

∫β

αi(t)2dωt

Irms =

√1

2π

∫β

α

(√2VZ

[sin(ωt−ϕ)− sin(ϕ)e−ωt tan(ϕ)

])2dωt

Irms =√

2VZ

√1

2π

∫β

α

(sin(ωt−ϕ)− sin(ϕ)e−ωt tan(ϕ)

)2 dωt

(8.39)

8.6. RECTIFICADOR CON DIODO DE DESCARGA LIBRE 141

8.6. Rectificador con Diodo de Descarga Libre

En la figura 8.16, se presenta en puente rectificador de media onda con carga resistiva inductivay diodo de descarga libre. El punte esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal(v f (t) =

√2V sin(ωt)).

Figura 8.16: Puente rectificador de media onda no controlado con carga resistiva inductiva y diodode descarga libre

Considerando el diodo principal ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el ángulo deencendido del diodo para esta fuente sinusoidal se obtiene cuando el diodo se polariza en directodurante el semi ciclo positivo de la sinusoide (vak ≥ 0) por lo cual αD1 = 0 y βD1 = π . Para el diodode descarga libre o número dos el cual se encuentra en paralelo con la carga su polarización endirecto se alcanza en el semi ciclo negativo de la onda sinusoidal por lo tanto αD2 = π y βD2 = 2π .Al encender el diodo dos este le da un camino de circulación a la corriente de la carga, asumiendola totalidad de la corriente del diodo principal permitiendo el apagado del mismo.

En la figura 17 se presenta el oscilo grama de corriente en la carga RL durante la operación delconvertidor electrónico. En esta figura se puede observar claramente dos etapas de operación enel puente. Una transitoria correspondiente a la energización del puente y la otra a la operación enestado estacionario. La operación en estado estacionario se caracteriza por que si analizamos lacorriente sobre la carga en un periodo de operación completo el valor de esta es igual. A este hechose le conoce como condición de régimen permanente y matemáticamente se expresa como:

i(t) = i(t +T ) (8.40)


Figura 8.17: Corriente por la carga resistiva inductiva

Para encontrar la corriente en la carga, analizaremos coma etapa de operación de forma separada.

8.6.1. Régimen transitorio

Durante la conducción del diodo principal, el circuito de la figura 8.16 se puede analizar como unrectificador de media onda con carga resistiva inductiva, con condición inicial de corriente parat = 0 igual a cero. La expresión de corriente para 0 ≤ ωt ≤ π que corresponde al diodo principales:

i(t) =√

2VZ


ωttan(ϕ)

](8.41)

Evaluando la condición final de la expresión (8.41) en ωt = π , se obtiene la condición inicial parala corriente que circula por el diodo dos.

i(tπ) =√

2VZ

[sin(π−ϕ)+ sin(ϕ)e−

π

tan(ϕ)]

= Ia (8.42)

La expresión de corriente para π ≤ ωt ≤ 2π que corresponde al diodo dos es:

i(t) = ke−ωt

tan(ϕ) (8.43)

Sustituyendo la condición inicial de corriente encontrada en la expresión (8.42) en la ecuación(8.43) se obtiene:


i(t) = Iae−(ωt−π)tan(ϕ)

i(t) =(√

2VZ


π

tan(ϕ)])

e−(ωt−π)tan(ϕ)

(8.44)

Durante la conducción o polarización del diodo dos sobre la carga queda aplicada la tensión deruptura del diodo, al considerar este como ideal la tensión de ruptura es igual a cero.

Evaluando la condición final de la expresión (8.44) en ωt = 2π , se obtiene la condición inicial parael siguiente periodo de operación del puente convertidor.

i(t2π) = Iae−π

tan(ϕ) =

(√2VZ


π

tan(ϕ)])

e−π

tan(ϕ) = Ib (8.45)

8.6.2. Estado Estacionario.

Para encontrar las expresiones de corriente de los diodos principal y dos del circuito de la figura8.16 en estado estacionario, se evaluara la corriente en un periodo cualquiera luego de alcanzadala condición de régimen permanente de la expresión (8.40). Este periodo esta comprendido parael diodo principal entre los nπ ≤ ωt ≤ (n+1)π y para el diodo dos entre los (n+1)π ≤ ωt ≤(n+2)π donde n ∈ N y es par.

Durante la conducción del diodo principal, el circuito de la figura 8.16, se puede analizar comoun rectificador de media onda con carga resistiva inductiva, con condición inicial de corriente parat = tnπ diferente de cero. A la condición inicial de la corriente en t = tnπ se denominara I02π . Laexpresión de corriente para nπ ≤ ωt ≤ (n+1)π que corresponde al diodo principal es:

i(t) =√

2VZ sin(ωt−ϕ)+ ke−

ωttan(ϕ)

↓i(tnπ) = I02π =

√2VZ sin(nπ−ϕ)+ ke−

nπ

tan(ϕ)

↓k =

(I02π −

√2VZ sin(nπ−ϕ)

)e

nπ

tan(ϕ) =(

I02π +√

2VZ sin(ϕ)

)e

nπ

tan(ϕ)

↓

i(t) =√

2VZ sin(ωt−ϕ)+

(I02π +

√2VZ sin(ϕ)

)e−

(ωt−nπ)tan(ϕ)

(8.46)


2V/Z tenemos:

i(t) =√

2VZ


(ωt−nπ)tan(ϕ)

)+ I02πe−

(ωt−nπ)tan(ϕ) (8.47)

Note que la expresión (8.47) es igual a la expresión (8.41) si le sumamos la condición inicialmultiplicada por la exponencial respectiva.

Evaluando la condición final de la expresión (8.47) en ωt = (n+1)π , se obtiene la condición inicialpara la corriente que circula por el diodo dos.


i(t(n+1)π) =√

2VZ

(sin((n+1)π−ϕ)+ sin(ϕ)e−

π

tan(ϕ))

+ I02πe−π

tan(ϕ) = I0π

I0π =√

2VZ

(sin(ϕ)+ sin(ϕ)e−

π

tan(ϕ))

+ I02πe−π

tan(ϕ)

I0π =√

2V sin(ϕ)Z

(1+ e−

π

tan(ϕ))

+ I02πe−π

tan(ϕ)

(8.48)

La expresión de corriente para (n+1)π ≤ ωt ≤ (n+2)π que corresponde al diodo dos es:

i(t) = I0πe−(ωt−(n+1)π)

tan(ϕ)

i(t) =(√

2V sin(ϕ)Z

(1+ e−

π

tan(ϕ))

+ I02πe−π

tan(ϕ))

e−(ωt−(n+1)π)

tan(ϕ)(8.49)

Note que la expresión (8.49) es igual a la expresión (8.44), la única diferencia es la denominacióny valor de la condición inicial.

Evaluando la condición final de la expresión (8.49) en ωt = (n+2)π , se obtiene la condición inicialpara el siguiente periodo de operación del puente convertidor. Como estamos analizando el estadoestacionario y por la condición de régimen permanente, se obtiene:

i(t(n+2)π

)= I0πe−

π

tan(ϕ) = I02π (8.50)

Utilizando los resultados de las expresiones (8.48) y (8.50), se pueden obtener los valores de lascorrientes iniciales I0π e I02π . De la ecuación (8.50) se obtiene:

I0π = I02πeπ

tan(ϕ) (8.51)

Sustituyendo la expresión (8.51) en el resultado de la ecuación (8.48), se obtiene:

I0π = I02πeπ

tan(ϕ) =√

2V sin(ϕ)Z

(1+ e−

π

tan(ϕ))

+ I02πe−π

tan(ϕ)

I02π

(e

π

tan(ϕ) − e−π

tan(ϕ))

=√

2V sin(ϕ)Z

(1+ e−

π

tan(ϕ))

I02π =√

2V sin(ϕ)Z ·

(1+e

− π

tan(ϕ))

(e

π

tan(ϕ)−e− π

tan(ϕ))

(8.52)

En la figura 18 se presentan las forma de onda de la tensión y corriente en la carga y fuente de alternade este puente convertidor, para una fuente de v f (t) =

√2120sin(377t) , R = 60Ω y L = 223mH.


Figura 8.18: Corriente y tensión en la carga para un rectificador no controlado de media onda condiodo de descarga libre

Como el circuito de la figura 8.18, es un circuito serie la corriente por la carga es la superposición dela corriente en cada uno de los diodos que integran el circuito. En la figura 8.19, se puede observarla corriente por el diodo principal y el de descarga libre.

Figura 8.19: Corriente por el diodo pricipal y de descarga libre para la carga resistiva inductiva

En la figura 8.20, se presentan los contenidos armónicos de tensión y corriente en la carga. Se puede


observar que el mayor contenido armónico de la tensión comparado con el de corriente el cual escasi de continua, primera y segunda armónica.

Figura 8.20: Contenido armónico de corriente y tensión en la carga resistiva inductiva

Para encontrar la tensión media y efectiva se aplicara la definición en vista anteriormente en elintervalo del periodo en donde la función esta definida, que es entre el ángulo de encendido y el deapagado de la componente.

8.6.2.1. Tensión Media

V0 = 12π

∫β

α

√2V sin(ωt)dωt

V0 =√

2V2π

(−cos(ωt)|β

α

)V0 =

√2V

2π

(−cos(ωt)|π0

)V0 =

√2V

2π(1− (−1))

V0 =√

2Vπ

(8.53)


8.6.2.2. Tensión Efectiva

Vrms =

√1

2π

∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt

Vrms =√

V 2

π

∫β


Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣π0

)Vrms =

√V 2

2π

(π−0− sin(2π)

2 + sin(0)2

)Vrms =

√V 2

2π·π = V√

2

(8.54)

8.6.2.3. Corriente Media

I0 = I0D1+ I0D2

=V0

R=√

2VπR

(8.55)

donde:

I0D1=

12π

∫ (n+1)π

nπ

(√2VZ


(ωt−nπ)tan(ϕ)

)+ I02πe−

(ωt−nπ)tan(ϕ)

)dωt (8.56)

I0D2=

12π

∫ (n+2)π

(n+1)π

(I0πe−

(ωt−(n+1)π)tan(ϕ)

)dωt (8.57)

8.6.2.4. Corriente Efectiva

Irms =√

I2rmsD1

+ I2rmsD2

(8.58)

donde:

IrmsD1=

√√√√ 12π

∫ (n+1)π

nπ

(√2VZ


(ωt−nπ)tan(ϕ)

)+ I02πe−

(ωt−nπ)tan(ϕ)

)2

dωt (8.59)

IrmsD2=

√1

2π

∫ (n+2)π

(n+1)π

(I0πe−

(ωt−(n+1)π)tan(ϕ)

)2

dωt (8.60)


8.7. Rectificador con Carga Activa

En la figura 8.21, se presenta en puente rectificador de media onda con carga activa del tipo resistivainductiva y fuente de tensión continua. El punte esta alimentado por una fuente alterna de formasinusoidal (v f (t) =

√2V sin(ωt)).

Figura 8.21: Puente rectifiacdor de media onda no controlado con carga activa

Considerando el diodo ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el ángulo de encendido deldiodo para esta fuente sinusoidal se obtiene cuando el diodo se polariza en directo (vak ≥ 0), estoocurre cuando la fuente de tensión sinusoidal iguala y supera a la fuente de tensión continua (E) dela carga por lo cual el ángulo de encendido es función de las magnitudes de la fuente sinusoidal ycontinua del circuito.

v f (t)≥ E√2V sin(ωt)≥ E

sin(ωt)≥ E√2V

sin(α)≥ E√2V

α ≥ arcsin(

E√2V

) (8.61)

La relación (8.61) se cumple para:

αmin ≤ α ≤ αmax (8.62)

Donde:

αmin = arcsin(m)

m =E√2V

αmax = π−αmin

Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0). La corriente para αmax ≤ ωt ≤ β es:

8.7. RECTIFICADOR CON CARGA ACTIVA 149


La solución homogénea para un circuito de priemer orden viene dada por la expresión:

i(t)h = ke−RL t (8.63)


i(t)h = k e−ωt

tan(ϕ) (8.64)

donde:

tan(ϕ) =ωLR

8.7.2. Solución Particular Fuente Constante:

i(t)p =−ER

(8.65)



i(t)p =√

2VZ

sin(ωet−ϕ) (8.66)

donde:

Z =√

R2 +(ωeL)2

8.7.4. Solución Total:

Condición inicial del circuito debido a que el tiristor se encuentra abierto o en no conducción:i(tαmin) = 0

i(tαmin) = 0 =√

2VZ sin(αmin−ϕ)− E

R + k e−αmintan(ϕ)

↓k =

(−√

2VZ sin(αmin−ϕ)+ E

R

)e

αmintan(ϕ)

↓

i(t) =√

2VZ sin(ωet−ϕ)− E

R +(−√

2VZ sin(αmin−ϕ)+ E

R

)e−

(ωt−αmin)tan(ϕ)

(8.67)



2V/Z tenemos:

i(t) =√

2VZ

[sin(ωet−ϕ)− m

cos(ϕ)+(

mcos(ϕ)

− sin(αmin−ϕ))

e−(ωt−αmin)

tan(ϕ)

](8.68)

donde:

m =E√2V

cos(ϕ) =RZ

La corriente de la expresión 8.68 pasa naturalmente por cero cuando i(tβ ) = 0, por lo tanto el ángulode apagado se calcula igualando esta ha cero. La ecuación 8.68 se hace cero si V = 0 o Z = ∞, estasdos soluciones son triviales e implican que el circuito no esta alimentando por ninguna fuente detensión o no posee carga conectada, por lo cual la única forma que la expresión 8.68 sea cero esque el termino entre corchetes sea igual ha cero para tβ .

[sin(ωetβ −ϕ

)− m

cos(ϕ) +(

mcos(ϕ) − sin(αmin−ϕ)

)e−

(ωtβ−αmin)

tan(ϕ)

]= 0[

sin(β −ϕ)− mcos(ϕ) +

(m

cos(ϕ) − sin(αmin−ϕ))

e−(β−αmin)

tan(ϕ)

]= 0

(8.69)

La expresión 8.69 no posee una solución analítica para β , este tipo de expresión se le conocecomo ecuación trascendental y su solución es numérica. Diversos métodos de solución numérica sepueden emplear para la solución de esta ecuación. La solución del ángulo de apagado esta acotadaentre αmax ≤ β ≤ 2π para cualquier caso.


√2120sin(377t) , E = 50V , R =

60Ω , y L = 223mH. Para esta carga el ángulo de apagado es β = 4,1510rad = 237,8367 y el deencendido α = 0,2991rad = 17,1352


Figura 8.22: Corriente y tensión en la carga activa

Como el circuito de la figura 8.22, es un circuito serie la corriente por la carga es la misma corrientepor la fuente de corriente alterna. En la figura 8.23, se presentan los contenidos armónicos detensión y corriente en la carga. Se puede observar que el mayor contenido armónico luego de lafundamental se obtiene en la armónica cero correspondiente al valor medio y la segunda armónicay como las armónicas de alto orden son cero.


Figura 8.23: Contenido armónico de corriente y tensión en la carga activa



V0 = 12π

[∫β

αmin

√2V sin(ωt)dω +

∫αmin+2π

βEdωt

]V0 = 1

2π

[√2V −cos(ωt)|β

αmin+ Eωt|αmin+2π

β

]V0 =

√2V

2π(cos(αmin)− cos(β ))+E

(2π−(β−αmin)

2π

) (8.70)


I0 = 1π

∫β

αi(t)dωet

I0 = 1π

∫β

αmin

√2VZ

[sin(ωt−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−


]dωt

I0 =√

2VZ

[1π

∫β

αmin

(sin(ωt−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−


)dωt

]I0 = V0−E

R

(8.71)

8.8. SIMULACIÓN 153


Vrms =

√1

2π

(∫β

αmin

(√2V sin(ωt)

)2dωt +

∫αmin+2π

βE2dωt

)Vrms =

√V 2

2π

∫β

αmin(1− cos(2ωt))dωt + 1

2π

∫αmin+2π

βE2dωt

Vrms =√

V 2

2π

(1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βαmin

+ E2

2πωt|αmin+2π

β

Vrms =√

V 2

2π

(β −αmin− sin(2β )

2 + sin(2αmin)2

)+E2

(1− β−αmin

2π

)Vrms =

√V 2

2π

(γ− sin(2β )

2 + sin(2αmin)2

)+E2

(1− γ

2π

)(8.72)

Nota: La expresión (8.72) sólo es válida en radianes.


Irms =√

1π

∫β

αi(t)2dωet

Irms =

√1π

∫β

αmin

(√2VZ

[sin(ωt−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−


])2

dωt

Irms =√

2VZ

√1π

∫β

αmin

[(sin(ωt−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−


)]2

dωt

(8.73)

8.8. Simulación

En el algoritmo 1, se presentan los archivos de Matlab y Octave para la encontrar el ángulo deapagado y la corriente media y efectiva normalizada:

Algoritmo 1 Cálculo del ángulo de apagado y corriente media y efectiva para carga RL en puentesrectificadores de media onda no controlados% Archivo principalglobal fi potencia % variables generalesfi=input('angulo de la carga '); % Angulo de la carga en radianespotencia=1;y=fsolve('eind',[4],optimset('Display','off')); % Solución numérica Matlaby=fsolve('eind',[4]); % Solución numérica OctaveImedia=1/(2*pi)*(quad('eind',0,y)); % Corriente mediapotencia=2;Iefectiva=sqrt(1/(2*pi)*(quad('eind',0,y))); %Corriente efectiva


En el algoritmo 2, se presenta el listado de la función "eind.m" requerida por el algoritmo 1.

Algoritmo 2 Función "eind.m"% Ecuación Trascendental (eind.m)function F=eind(x)global fipotencia F=(sin(x-fi)+sin(fi)*exp(-x/tan(fi))).^potencia; %Ecuación% potencia se utiliza para elevar la ecuación trascendental al cuadrado parael cálculo de la corriente efectiva.

En el algoritmo 3, se presentan los archivos de Matlab para la encontrar el ángulo de apagado yla corriente media y efectiva normalizada para un puente de media onda no controlado con cargaactiva.

Algoritmo 3 Cálculo del ángulo de apagado y corriente media y efectiva para carga activa enpuentes rectificadores de media onda no controlados% Archivo principalglobal fi a m potencia% variables generalesV=input('Tension efectiva de la fuente sinusoidal ');E=input('Tension DC de la Carga ');R=input('Resistencia [Ohm] ');L=input('Inductancia [H] ');f=input('Frecuencia de la fuente [Hz] ');alfa2=input('Angulo de Encendido en grados ');a=alfa2*pi/180; % Cálculo del ángulo de encendido en radfi=atan(2*pi*f*L/R); % Angulo de la Cargam=E/(sqrt(2)*V);Z=sqrt((2*pi*f*L)^2+R^2); %Impedanciapotencia=1;beta=fsolve('eindg',[3.2],optimset('Display','off')) % Angulo de apagadoMatlabbeta=fsolve('eindg',[3.2]) %Angulo de apagado para OctaveIn=sqrt(2)*V/Z*1/(2*pi)*(quad('eindg',a,beta)) % Corriente mediapotencia=2;Ir=sqrt(2)*V/Z*sqrt(1/(2*pi)*(quad('eindg',a,beta))) % Corriente efectivaV0=sqrt(2)*V/(2*pi)*(cos(a)-cos(beta))+E*(1-(beta-a)/(2*pi)) % Tensión mediaI0=(V0-E)/R % Corriente MediaVRMS=sqrt(V^2/(2*pi)*(beta-a+sin(2*a)/2-sin(2*beta)/2)+E^2*(1-(beta-a)/(2*pi))) %Tensión efectivaFRV=sqrt(VRMS^2-V0^2)/V0 % Factor de rizado en tensiónFRI=sqrt(Ir^2-In^2)/In % Factor de rizado en corriente

En el algoritmo 4, se presenta el listado de la función "eind.m" requerida por el algoritmo 3.


Algoritmo 4 Función "eindg.m"%Ecuación Trascendental (eindg.m)function F=eindg(x)global fi a m potenciaF=(sin(x-fi)-m/cos(fi)-(sin(a-fi)-m/cos(fi))*exp(-(x-a)/tan(fi))).^potencia;% potencia se utiliza para elevar la ecuación trascendental al cuadrado parael cálculo de la corriente efectiva.

En el algoritmo 5, se presenta el código de Spice para modelar el punte de media onda no controladocon carga RL.

Algoritmo 5 Puente rectificador de media onda no controlado* Rectificador de Media Onda No Controlado******************* Parámetros ***********************************.PARAM VM=120 ;Tensión RMS de la fuente.PARAM R=60 ;Carga resistiva.PARAM L=223MH ;Carga inductiva******************** Fuente ***********************************VS 1 0 SIN(0 sqrt(2)*VM 60)******************** Circuito ***********************************D1 1 2 DMOD********************* Carga ************************************R 2 3 R L 3 0 L IC=0********************* Modelo ***********************************.MODEL DMOD D(N=1E-4) ; DIODO IDEALIZADO********************* Análisis *********************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(2) I(R).PROBE.PRINT TRAN V(2) I(R) I(D1) V(1) ;salida a archivo.END

En el algotitmo 6, se presenta el código Spice para modelar el puente rectificador de media ondano controlado con diodo de descarga libre.


Algoritmo 6 Puente rectificador de media onda no controlado con diodo de descarga libre* Rectificador de Media Onda con Diodo de Descarga Libre******************* Parámetros ***********************************.PARAM VM=120 ;Tensión RMS de la fuente.PARAM R=60 ;Carga resistiva.PARAM L=223MH ;Carga inductiva******************** Fuente ***********************************VS 1 0 SIN(0 sqrt(2)*VM 60)******************** Circuito ***********************************D1 1 2 DMODD2 0 2 DMOD********************* Carga ************************************R 2 3 R L 3 0 L IC=0********************* Modelo ***********************************.MODEL DMOD D(N=1E-4) ; DIODO IDEALIZADO********************* Análisis *********************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(2) I(R).PROBE.PRINT TRAN V(2) I(R) I(D1) I(D2) V(1) ;salida a archivo.END

Capítulo 9

Rectificador de Media Onda Controlado


Los rectificadores de media onda de diodos son conocidos como no controlados, debido a que susalida en corriente continua es fija y determinada por el valor pico de la fuente de corriente alternaque lo alimenta, su forma y la carga conectada en sus terminales. Una forma de controlar el valorDC entregado por el puente rectificador es reemplazar el diodo por otro dispositivo de electrónicade potencia capaz de temer mayor grado de controlabilidad. Una de las posibles formas de controlarla salida del puente rectificador es sustituir el diodo por un rectificador controlado de silicio (SCR)o tiristor. En la figura 9.1, se presenta el esquema del puente rectificador de media onda controladocon tiristor.

Figura 9.1: Esquema del rectificador de media onda controlado

El control de la tensión de corriente continua de salida del rectificador, se basa en retardar el iniciode la conducción del SCR mediante el inicio del 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 condicionesbásicas: Polarización ánodo cátodo positiva (vak ≥ 0) y pulso de corriente en la compuerta deldispositivo (ig > 0).

A diferencia del diodo, el tiristor no entrará en estado de conducción en cuanto la señal de la fuentede alimentación sea positiva. La conducción no se inicia hasta que se aplica un pulso de corrienteen la compuerta de encendido (Gate), lo cual es la base para utilizar el SCR como dispositivo decontrol. Una vez que el tiristor derrumba la barrera de potencial de las junturas NP y comienza aconducir, la corriente por la compuerta de encendido se puede retirar y el dispositivo continua enconducción hasta que la corriente que circula por el se hace igual a cero de forma natural o forzada.

157

158 CAPÍTULO 9. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CONTROLADO

9.2. Rectificador con Carga Resistiva

En la figura 9.2, se presenta en puente rectificador de media onda controlado con carga pura re-sistiva. El punte esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal dada por la expresión:v f (t) =

√2V sin(ωt).

Figura 9.2: 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 controlabilidaddel puente esta determinado por aquello valores del ángulo de encendido donde el tiristor se encuen-tre polarizado en directo (vak ≥ 0), garantizando de esta forma la conducción de la componente. Elrango de control del tiristor esta comprendido para este caso particular de fuente sinusoidal en susemi ciclo positivo (0≤α ≤ π). El ángulo de encendido α define el tiempo de inicio de conducciónde la componente mediante la siguiente expresión:

tα =α

ω(9.1)

Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0). La corriente para tα ≤ t ≤ tβ es:

i(t) =v f (t)

R=√

2VR

sin(ωt) (9.2)

La corriente de la expresión (9.2) pasa naturalmente por cero en ωtβ = π , por lo tanto el ángulo deapagado es β = π .

En la figura 9.3, se presentan las forma de onda de la tensión y corriente en la carga y fuente dealterna de este puente convertidor para un ángulo de disparo α = π/3.

9.2. RECTIFICADOR CON CARGA RESISTIVA 159

Figura 9.3: Corriente y tensión en la fuente y carga resistiva

Como el circuito de la figura 9.2 es un circuito serie la corriente por la carga es la misma corrientepor la fuente de corriente alterna. En la figura 9.4, se presentan los contenidos armónicos de tensióny corriente en la carga. Se puede observar que el mayor contenido armónico luego de la fundamentalse obtiene en la armónica cero correspondiente al valor medio y la segunda armónica y como lasarmónicas de alto orden son cero.

Figura 9.4: Contenido armónico de a corriente y la tensión para la carga resistiva

Para encontrar la tensión y corriente media y efectiva se aplicara la definición en vista anteriormente


en el intervalo del periodo en donde la función esta definida, que es entre el ángulo de encendido yel de apagado de la componente.


V0 = 12π

∫β

α

√2V sin(ωt)dωt

V0 =√

2V2π

(−cos(ωt)|β

α

)V0 =

√2V


V0 =√

2V2π

(cos(α)− cos(π))V0 =

√2V

2π(cos(α)− (−1))

V0 =√

2V2π

(1+ cos(α))

(9.3)


I0 = 12π

∫β

α

√2V

R sin(ωt)dωt

I0 =√

2V2πR

(−cos(ωt)|β

α

)I0 =

√2V

2πR (cos(α)− cos(β ))I0 =

√2V

2πR (cos(α)− cos(π))I0 =

√2V

2πR (cos(α)− (−1))I0 =

√2V

2πR (1+ cos(α))

(9.4)


Vrms =

√1

2π

∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt

Vrms =√

V 2

2π

∫β


Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Vrms =

√V 2

2π

((β −α− sin(2β )

2 + sin(2α)2

))Vrms =

√V 2

2π

((π−α− sin(2π)

2 + sin(2α)2

))Vrms =

√V 2

2π

((π−α + sin(2α)

2

))

(9.5)



Irms =

√1

2π

∫β

α

(√2V

R sin(ωt))2

dωt

Irms =√

V 2

2πR2

∫β


Irms =

√V 2

2πR2

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Irms =

√V 2

2πR2

((β −α− sin(2β )

2 + sin(2α)2

))Irms =

√V 2

2πR2

((π−α− sin(2π)

2 + sin(2α)2

))Irms =

√V 2

2πR2


2

))

(9.6)

9.2.5. Factor de Rizado

FR =

√(V 2

2π


2

)))−(√

2V2π

(1+ cos(α)))2

√2V

2π(1+ cos(α))

(9.7)

9.3. Rectificador con Carga Resistiva Inductiva

En la figura 9.5, se presenta en puente rectificador de media onda controlado con carga resistiva in-ductiva. El punte esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal dada por la expresión:v f (t) =

√2V sin(ωt).

Figura 9.5: Puente rectificador de media onda controlado con carga resistiva inductiva

Considerando el Tiristor ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el rango de controlabilidaddel puente esta determinado por aquello valores del ángulo de encendido donde el tiristor se encuen-tre polarizado en directo (vak ≥ 0), garantizando de esta forma la conducción de la componente. El


rango de control del tiristor esta comprendido para este caso particular de fuente sinusoidal en susemi ciclo positivo (0≤ α ≤ π).

Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0).

9.3.1. La corriente para tα ≤ t ≤ tβ es:

9.3.1.1. Solución Homogénea.

ih(t) = ke−RL t (9.8)

Multiplicando el numerador y denominador de la exponencial por ω , se obtiene:

ih(t) = ke−ωt

tan(ϕ) (9.9)

donde:

tan(ϕ) =ωLR

9.3.1.2. Solución Particular (Régimen Sinusoidal Permanente)


ip(t) =√

2VZ

sin(ωt−ϕ) (9.10)

donde:

Z =√

R2 +(ωL)2

9.3.1.3. Solución Total

i(t) =√

2VZ

sin(ωt−ϕ)+ ke−ωt

tan(ϕ) (9.11)

Sustituyendo la condición inicial del circuito i(tα) = 0, en la expresión (9.11), se obtiene:

i(tα) = 0 =√

2VZ sin(α−ϕ)+ ke−

α

tan(ϕ)

↓k =

(−√

2VZ sin(α−ϕ)

)e

α

tan(ϕ)

↓

i(t) =√

2VZ sin(ωt−ϕ)−

(√2VZ sin(α−ϕ)

)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

(9.12)



2V/Z tenemos:

i(t) =√

2VZ

[sin(ωt−ϕ)− sin(α−ϕ)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

](9.13)

La corriente de la expresión (9.13) pasa naturalmente por cero cuando i(tβ ) = 0, por lo tanto elángulo de apagado se calcula igualando la ecuación ha cero. La expresión (9.13) se hace cero siV = 0 o Z = ∞ , estas dos soluciones son triviales e implican que el circuito no esta alimentando porninguna fuente de tensión o no posee carga conectada, por lo cual la única forma que la expresiónde corriente (9.13) sea cero es que el termino entre corchetes sea igual ha cero para tβ .

[sin(ωtβ −ϕ

)− sin(α−ϕ)e−

(ωtβ−α)

tan(ϕ)

]=[

sin(β −ϕ)− sin(α−ϕ)e−(β−α)tan(ϕ)

]= 0 (9.14)

La expresión (9.14) no posee una solución analítica para β , este tipo de expresión se le conocecomo ecuación trascendental y su solución es numérica. Diversos métodos de solución numérica sepueden emplear para la solución de esta ecuación. La solución del ángulo de apagado esta acotadaentre π ≤ β ≤ 2π para cualquier caso.


√2120sin(377t) , R = 60Ω y

L = 223mH, con un ángulo de encendido de α = π/6. Para esta carga el ángulo de apagado esβ = 4,1243rad = 263,3027.

Figura 9.6: Corriente y tensión en la fuente y carga resistiva inductiva

Como el circuito de la figura 9.5, es un circuito serie la corriente por la carga es la misma corrientepor la fuente de corriente alterna. En la figura 9.7, se presentan los contenidos armónicos de tensión


y corriente en la carga. Se puede observar que el mayor contenido armónico luego de la fundamentalse obtiene en la armónica cero correspondiente al valor medio y la segunda armónica y como lasarmónicas de alto orden son cero.

Figura 9.7: Contenido armónico de la corriente y tensión en la carga resistiva inductiva



V0 = 12π

∫β

α

√2V sin(ωt)dωt

V0 =√

2V2π

(−cos(ωt)|β

α

)V0 =

√2V


(9.15)


I0 = 12π

∫β

α

(√2VZ


(ωt−α)tan(ϕ)

])dωt

I0 =√

2VZ

[1

2π

∫β

α

(sin(ωt−ϕ)− sin(α−ϕ)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

)dωt

]I0 = V0

R =√


(9.16)



Vrms =

√1

2π

∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt

Vrms =√

V 2

2π

∫β


Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Vrms =

√V 2

2π

((β −α− sin(2β )

2 + sin(2α)2

))(9.17)



Irms =

√1

2π

∫β

α

(√2VZ


(ωt−α)tan(ϕ)

])2

dωt

Irms =√

2VZ

√1

2π

∫β

α

(sin(ωt−ϕ)− sin(α−ϕ)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

)2

dωt

(9.18)

9.3.6. Factor de Rizado en Tensión

FR =

√V 2

2π

((β −α− sin(2β )

2 + sin(2α)2

))−(√

2V2π

(cos(α)− cos(β )))2

√2V


(9.19)

9.4. Rectificador con Carga Inductiva

En la figura 9.8, se presenta en puente rectificador de media onda con carga inductiva pura. Elpunte esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal dada por la expresión: v f (t) =√

2V sin(ωt).

Considerando el Tiristor ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el rango de controlabilidaddel puente esta determinado por aquello valores del ángulo de encendido donde el tiristor se encuen-tre polarizado en directo (vak ≥ 0), garantizando de esta forma la conducción de la componente. Elrango de control del tiristor esta comprendido para este caso particular de fuente sinusoidal en susemi ciclo positivo (0≤ α ≤ π).

Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0). Para encontrar la corriente para tα ≤ t ≤ tβ , se puede utilizar el resultado delcircuito RL con Z = ωL y ϕ = π/2 que corresponden al caso inductivo puro.


Figura 9.8: Puente rectificador de media onda controlado con carga inductiva

i(t) =√

2VZ


(ωt−α)tan(ϕ)

]↓

i(t) =√

2VωL

[sin(ωt− π

2

)− sin

(α− π

2

)e− (ωt−α)

tan( π2 )]

↓i(t) =

√2V

ωL

[sin(ωt− π

2

)− sin

(α− π

2

)]↓

i(t) =√

2VωL [cos(α)− cos(ωt)]

(9.20)

La corriente de la expresión (9.20) pasa naturalmente por cero cuando i(tβ ) = 0, por lo tanto elángulo de apagado se calcula igualando la expresión ha cero. La expresión (9.20) se hace cero siV = 0 o ωL = ∞ , estas dos soluciones son triviales e implican que el circuito no esta alimentan-do por ninguna fuente de tensión o no posee carga conectada, por lo cual la única forma que laexpresión (9.20) sea cero es que el termino entre corchetes sea igual ha cero para tβ .

[cos(α)− cos

(ωtβ)]

= [cos(α)− cos(β )] = 0↓

cos(α) = cos(β )↓

β =−α = 2π−α

(9.21)

En la figura 9.9, se presentan las forma de onda de la tensión y corriente en la carga y fuente dealterna de este puente convertidor, para una fuente de v f (t) =

√2120sin(377t) y L = 223mH.


Figura 9.9: Corriente y tensión en la carga inductiva

Como el circuito de la figura 9.8, es un circuito serie la corriente por la carga es la misma corrientepor la fuente de corriente alterna. En la figura 9.10, se presentan los contenidos armónicos detensión y corriente en la carga. Se puede observar que el mayor contenido armónico luego de lafundamental se obtiene en la armónica cero correspondiente al valor medio y las armónicas otrasarmónicas son de valor cero.

Figura 9.10: Contenido armónico de corriente y tensión en la carga inductiva

Para encontrar la tensión y corriente media y efectiva se aplicara la definición en vista anteriormente


en el intervalo del periodo en donde la función esta definida, que es entre el ángulo de encendido yel de apagado de la componente.


V0 = 12π

∫β

α

√2V sin(ωt)dωt

V0 =√

2V2π

(−cos(ωt)|β

α

)V0 =

√2V


V0 =√

2V2π

(cos(α)− cos(2π−α)) = 0

(9.22)


I0 = 12π

∫β

α

(√2V

ωL [cos(α)− cos(ωt)])

dωt

I0 =√

2VωL

[1

2π

∫β

α(cos(α)− cos(ωt))dωt

]I0 =

√2V

2πωL [cos(α)ωt− sin(ωt)]|βα

I0 =√

2V2πωL [cos(α)(β −α)− sin(β )+ sin(α)]I0 =

√2V

πωL [cos(α)(π−α)+ sin(α)]

(9.23)


Vrms =

√1

2π

∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt

Vrms =√

V 2

2π

∫β


Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Vrms =

√V 2

2π

((β −α− sin(2β )

2 + sin(2α)2

))Vrms =

√V 2

π


2

))(9.24)




Irms =

√1

2π

∫β

α

(√2V

ωL [cos(α)− cos(ωt)])2

dωt

Irms =√

2VωL

√1

2π

∫β

α(cos(α)− cos(ωt))2 dωt

Irms =√

2VωL

√1

2π

∫β

α

((cos(α))2−2cos(α)cos(ωt)+(cos(ωt))2

)dωt

Irms =√

2VωL

√1

2π

((π−α)

[1+2(cos(α))2

]− sin(2α)

2 −4cos(α)sin(α))

(9.25)

9.5. Rectificador con Carga Resistiva Capacitiva

En la figura 9.11, se presenta en puente rectificador de media onda controlado con carga resis-tiva capacitiva. El punte esta alimentado por una fuente alterna de forma sinusoidal dada por laexpresión: v f (t) =

√2V sin(ωt).

Figura 9.11: Puente rectificador de media onda controlado con carga resistiva capacitiva

Considerando el Tiristor ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el rango de controlabilidaddel puente esta determinado por aquello valores del ángulo de encendido donde el tiristor se encuen-tre polarizado en directo (vak ≥ 0), garantizando de esta forma la conducción de la componente. Elrango de control del tiristor esta comprendido para este caso particular de fuente sinusoidal en susemi ciclo positivo (0≤ α ≤ π).

Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0).

9.5.1. La corriente para tα ≤ t ≤ tβ es:

9.5.1.1. Solución Homogénea.

ih(t) = ke−1

RC t (9.26)

Multiplicando el numerador y denominador de la exponencial por ω , se obtiene:


ih(t) = ke−ωt tan(ϕ) (9.27)

donde:

tan(ϕ) =1

ωCR

9.5.1.2. Solución Particular (Régimen Sinusoidal Permanente)


ip(t) =√

2VZ

sin(ωt +ϕ) (9.28)

donde:

Z =

√R2 +

(1

ωC

)2

9.5.1.3. Solución Total

i(t) =√

2VZ

sin(ωt +ϕ)+ ke−ωt tan(ϕ) (9.29)

Sustituyendo la condición inicial del circuito i(tα) = 0, en la expresión (9.29), se obtiene:

i(tα) = 0 =√

2VZ sin(α +ϕ)+ ke−α tan(ϕ)

↓k =

(−√

2VZ sin(α +ϕ)

)eα tan(ϕ)

↓i(t) =

√2VZ sin(ωt +ϕ)−

(√2VZ sin(α +ϕ)

)e−(ωt−α) tan(ϕ)

(9.30)


2V/Z tenemos:

i(t) =√

2VZ

[sin(ωt +ϕ)− sin(α +ϕ)e−(ωt−α) tan(ϕ)

](9.31)

La corriente de la expresión (9.31) pasa naturalmente por cero cuando i(tβ ) = 0, por lo tanto elángulo de apagado se calcula igualando la ecuación ha cero. La expresión (9.31) se hace cero siV = 0 o Z = ∞ , estas dos soluciones son triviales e implican que el circuito no esta alimentando porninguna fuente de tensión o no posee carga conectada, por lo cual la única forma que la expresiónde corriente (9.31) sea cero es que el termino entre corchetes sea igual ha cero para tβ .


[sin(ωtβ +ϕ

)− sin(α +ϕ)e−(ωtβ−α) tan(ϕ)

]=[sin(β −ϕ)− sin(α−ϕ)e−(β−α) tan(ϕ)

]= 0(9.32)

La expresión (9.32) no posee una solución analítica para β , este tipo de expresión se le conocecomo ecuación trascendental y su solución es numérica. Diversos métodos de solución numérica sepueden emplear para la solución de esta ecuación. La solución del ángulo de apagado esta acotadaentre π/2≤ β ≤ 2π para cualquier caso.


√2120sin(377t) , R = 60Ω y

C = 0,1mF , con un ángulo de encendido de α = π/6. Para esta carga el ángulo de apagado esβ = 2,3448rad = 134,3471.

Figura 9.12: Corriente y tensión en la fuente y carga resistiva inductiva



Figura 9.13: Contenido armónico de la corriente y tensión en la carga resistiva inductiva



V0 = 12π

∫β

α

√2V sin(ωt)dωt

V0 =√

2V2π

(−cos(ωt)|β

α

)V0 =

√2V


(9.33)


I0 = 12π

∫β

α

(√2VZ


])dωt

I0 =√

2VZ

[1

2π

∫β

α

(sin(ωt +ϕ)− sin(α +ϕ)e−(ωt−α) tan(ϕ)

)dωt

]I0 = V0

R =√


(9.34)



Vrms =

√1

2π

∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt

Vrms =√

V 2

2π

∫β


Vrms =

√V 2

2π

((1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

)Vrms =

√V 2

2π

((β −α− sin(2β )

2 + sin(2α)2

))(9.35)



Irms =

√1

2π

∫β

α

(√2VZ


])2dωt

Irms =√

2VZ

√1

2π

∫β

α

(sin(ωt +ϕ)− sin(α +ϕ)e−(ωt−α) tan(ϕ)

)2 dωt(9.36)

9.6. Rectificador con Carga Activa

En la figura 9.14, se presenta en puente rectificador de media onda con carga activa del tipo resistivainductiva y fuente de tensión continua. El punte esta alimentado por una fuente alterna de formasinusoidal dada por la expresión: v f (t) =

√2V sin(ωt).

Figura 9.14: Puente rectificador de media onda controlado con carga activa

Considerando el Tiristor ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el rango de controlabilidaddel puente esta determinado por aquello valores del ángulo de encendido donde el tiristor se en-cuentre 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 fuentessinusoidal y continua del circuito. El rango de control del tiristor esta comprendido para este casoparticular de fuente sinusoidal entre el ángulo de disparo mínimo y máximo (αmin ≤ α ≤ αmax).

9.6.1. Cálculo del límite de controlabilidad

v f (t)≥ E√2V sin(ωt)≥ E

sin(ωt)≥ E√2V

sin(α)≥ E√2V

α ≥ arcsin(

E√2V

) (9.37)

La relación (9.37) se cumple para:

αmin ≤ α ≤ αmax (9.38)

Donde:

αmin = arcsin(m)

m =E√2V

αmax = π−αmin

Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0). La corriente para αmax ≤ ωt ≤ β es:


La solución homogénea para un circuito de primer orden viene dada por la expresión:

i(t)h = ke−RL t (9.39)


i(t)h = k e−ωt

tan(ϕ) (9.40)

donde:

tan(ϕ) =ωLR



i(t)p =−ER

(9.41)



i(t)p =√

2VZ

sin(ωt−ϕ) (9.42)

donde:

Z =√

R2 +(ωL)2


Condición inicial del circuito debido a que el tiristor se encuentra abierto o en no conducción:i(tαmin) = 0

i(tαmin) = 0 =√

2VZ sin(α−ϕ)− E

R + k e−α

tan(ϕ)

↓k =

(−√

2VZ sin(α−ϕ)+ E

R

)e

α

tan(ϕ)

↓

i(t) =√

2VZ sin(ωt−ϕ)− E

R +(−√

2VZ sin(α−ϕ)+ E

R

)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

(9.43)


2V/Z tenemos:

i(t) =√

2VZ

[sin(ωt−ϕ)− m

cos(ϕ)+(

mcos(ϕ)

− sin(α−ϕ))

e−(ωt−α)tan(ϕ)

](9.44)

donde:

m =E√2V

cos(ϕ) =RZ

La corriente de la expresión 9.44 pasa naturalmente por cero cuando i(tβ ) = 0, por lo tanto el ángulode apagado se calcula igualando esta ha cero. La ecuación 9.44 se hace cero si V = 0 o Z = ∞, estasdos soluciones son triviales e implican que el circuito no esta alimentando por ninguna fuente de


tensión o no posee carga conectada, por lo cual la única forma que la expresión 9.44 sea cero esque el termino entre corchetes sea igual ha cero para tβ .

[sin(ωtβ −ϕ

)− m

cos(ϕ) +(

mcos(ϕ) − sin(α−ϕ)

)e−

(ωtβ−α)

tan(ϕ)

]= 0[


(m

cos(ϕ) − sin(α−ϕ))

e−(β−α)tan(ϕ)

]= 0

(9.45)



√2120sin(377t) , E = 50V , R =

60Ω , y L = 223mH. Para esta carga el ángulo de apagado es β = 4,1243rad = 236,3027 y el deencendido α = π/6rad = 30

Figura 9.15: Corriente y tensión en la carga activa



Figura 9.16: Contenido armónico de corriente y tensión en la carga activa



V0 = 12π

[∫β

α

√2V sin(ωt)dω +

∫α+2π

βEdωt

]V0 = 1

2π

[√2V −cos(ωt)|β

α+ Eωt|α+2π

β

]V0 =

√2V

2π(cos(α)− cos(β ))+E

(2π−(β−α)

2π

) (9.46)


I0 = 1π

∫β

αi(t)dωet

I0 = 1π

∫β

α

√2VZ

[sin(ωt−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

]dωt

I0 =√

2VZ

[1π

∫β

α

(sin(ωt−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

)dωt

]I0 = V0−E

R

(9.47)



Vrms =

√1

2π

(∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt +

∫α+2π

βE2dωt

)Vrms =

√V 2

2π

∫β

α(1− cos(2ωt))dωt + 1

2π

∫α+2π

βE2dωt

Vrms =

√V 2

2π

(1− sin(2ωt)

2

)∣∣∣βα

+ E2

2πωt|α+2π

β

Vrms =√

V 2

2π


2 + sin(2α)2

)+E2

(1− β−α

2π

)Vrms =

√V 2

2π

(γ− sin(2β )

2 + sin(2α)2

)+E2

(1− γ

2π

)(9.48)



Irms =√

1π

∫β

αi(t)2dωet

Irms =√

2VZ√

π

√∫β

α

[(sin(ωt−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

)]2

dωt(9.49)

9.7. Simulación

En el algoritmo 7, se presentan los archivos de Matlab para la encontrar el ángulo de apagado yla corriente media y efectiva normalizada para un puente de media onda no controlado con cargaactiva.


Algoritmo 7 Cálculo del ángulo de apagado y corriente media y efectiva para carga activa enpuentes rectificadores de media onda controlados% Archivo principalglobal fi a m potencia% variables generalesV=input('Tension efectiva de la fuente sinusoidal ');E=input('Tension DC de la Carga ');R=input('Resistencia [Ohm] ');L=input('Inductancia [H] ');f=input('Frecuencia de la fuente [Hz] ');alfa2=input('Angulo de Encendido en grados ');a=alfa2*pi/180;%Cálculo del ángulo de encendido en radfi=atan(2*pi*f*L/R); %Angulo de la Cargam=E/(sqrt(2)*V);Z=sqrt((2*pi*f*L)^2+R^2); %Impedanciapotencia=1;beta=fsolve('eindg',[3.2],optimset('Display','off')) %Angulo de apagado paraMatlabbeta=fsolve('eindg',[3.2]) %Angulo de apagado para OctaveIn=sqrt(2)*V/Z*1/(2*pi)*(quad('eindg',0,beta)) %Corriente mediapotencia=2;Ir=sqrt(2)*V/Z*sqrt(1/(2*pi)*(quad('eindg',0,beta))) %Corriente efectiva

En el algoritmo 8, se presenta el listado de la función "eindg.m" requerida por el algoritmo 7.

Algoritmo 8 Función "eindg.m"%Ecuación Trascendental (eindg.m)function F=eindg(x)global fi a m potenciaF=(sin(x-fi)-m/cos(fi)-(sin(a-fi)-m/cos(fi))*exp(-(x-a)/tan(fi))).^potencia;% potencia se utiliza para elevar la ecuación trascendental al cuadrado parael cálculo de la corriente efectiva.

En el algoritmo 9, se presenta el código de Spice para modelar el puente rectificador de media ondacontrolado con carga RL.


Algoritmo 9 Puente rectificador de media onda controlado* Puente Rectificador de Media Onda Controlado********************* PARAMETROS DEL CIRCUITO ********************************.PARAM VRMS=120 ;TENSIÓN EFECTIVA DE LA FUENTE.PARAM ALFA=90 ;ÁNGULO DE DISPARO.PARAM R=60 ;CARGA RESISTIVA.PARAM L=223mH ;CARGA INDUCTIVA.PARAM F=60 ;FRECUANCIA DE LA FUENTE.PARAM TALFA=ALFA/(360*F) PW=0.5/F ; ALFA EN TIEMPO******************** Fuente ***********************************VF 1 0 SIN(0 SQRT(2)*VRMS F)******************** Circuito **********************************SW1 1 2 11 0 SMODD1 2 3 DMOD********************* Carga ***********************************R 3 4 RL 4 0 L******************** Modelo **********************************.MODEL DMOD D.MODEL SMOD VSWITCH (RON=.01)********************* Control *********************************VCONTROL 11 0 PULSE(-10 10 TALFA 0 0 PW 1/F) ;************************** ANALISIS *************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(3) I(R).PROBE.PRINT TRAN V(3) I(R) I(D1) V(1) ;salida a archivo.END

Capítulo 10

Rectificador de Onda Completa Monofásico


La finalidad de los rectificadores de onda completa es la misma que los de media onda, generar unatensión o corriente continua especifica, a partir de una fuente de corriente alterna. Los rectificadoresde 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 escero, evitando así los problemas asociados al fenómeno de saturación de las máquinas eléctricasconectadas a la misma barra de alimentación en corriente alterna. Adicionalmente, disminuye elrizado en las corrientes de salida en la barra de corriente continua y se obtiene un mayor valor detensión y corriente continua para la misma fuente de corriente alterna.

En este capitulo se analizará el puente rectificador monofásico de onda completa controlado, elanálisis del rectificador no controlado o de diodos es análogo al controlado si sustituimos el ángulode disparo por cero.

10.2. Aplicaciones


Fuentes de poder.

Control de velocidad y posición de máquinas de corriente continua.

Transmisión en Corriente Continua (HVDC).

Excitatriz de máquinas sincrónicas.

Electro filtros.

Entre otras.

181

182 CAPÍTULO 10. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA MONOFÁSICO

10.3. Esquema del Rectificador de Onda Completo Monofásico

En la figura 10.1, se presenta el esquema de un rectificador controlado de onda completa clási-co, utilizado en electrónica de baja potencia. Este puente esta compuesto por cuatro interruptoreselectrónicos de potencia, lo cuales son encendidos alternadamente en parejas cada medio ciclo dela onda alterna de la fuente de poder. Otra representación del mismo puente convertidor, se puedeobservar en la figura 10.2. Generalmente esta representación es la más utilizada en electrónica depotencia.

Figura 10.1: Diagrama del puente rectificador monofásico

Figura 10.2: Esquema del puente rectificador de onda completa monofásico

10.4. Operación del Puente Rectificador

Durante el semi ciclo positivo de la fuente de tensión, los tiristores uno y tres se encuentran pola-rizados en directo mientras que los componentes dos y cuatro en inversor. Durante este semi ciclo,al recibir pulso de disparo por la compuerta los SCR uno y tres entran en conducción y la corrientecircula por las componentes y la carga como se muestra en la figura 10.3.

10.4. OPERACIÓN DEL PUENTE RECTIFICADOR 183

Figura 10.3: Circulación de corriente por el puente convertidor durante el semi ciclo positivo de lafuente

Los tiristores uno y tres pueden apagar de forma natural si la corriente pasa por cero antes de quelos SCR dos y cuatro reciban orden de encendido durante el semi ciclo negativo de la fuente. Adi-cionalmente, estos tiristores también pueden apagar de forma forzada al encender los dispositivosdos y cuatro los cuales suministrarán un nuevo camino de circulación a la corriente de la carga du-rante el semi ciclo negativo de la fuente. En la figura 10.4, se presenta el camino de circulación dela corriente durante el semi ciclo negativo de la fuente con los dispositivos dos y cuatro encendidos.

Figura 10.4: Circulación de corriente por el puente convertidor durante el semi ciclo negativo de lafuente

Para obtener simetría en la corriente en la fuente con respecto al semi ciclo positivo y negativo losángulos de disparos entre las componentes T1, T3 y T2, T4 deben estar desfasados en la mitad delperiodo de la fuente alterna (T/2). En la figura 10.3 y 10.4 se puede observar como la circulaciónde corriente en la carga es igual para ambos casos.

El esquema de pagado de las componentes (natural o forzado) define dos formas de operación delpuente convertidor.

Condición no continuada de corriente: cuando el apagado de las componentes se realiza de formanatural (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 determinaresta condición de operación es calculando el ángulo de apagado de las componentes el cual debeser menor al de encendido de los dispositivos a conmutar (β < (α +T/2)). En la figura 10.5, se


presentan las formas de onda sobre la carga de tensión y corriente para esta condición de operación,para una alimentación sinusoidal.

Figura 10.5: Forma de onda de corriente y tensión en la carga para la condición no continuada decorriente

Condición continuada de corriente: el apagado de las componentes se realiza de forma forzada, estoocurre cuando el ángulo de apagado de las componentes que se encuentran en conducción es mayorque el ángulo de encendido de las componentes a conmutar (β ≥ (α +T/2)). En esta condiciónde operación en régimen permanente la corriente por la carga es diferente a cero. En la figura 6 sepresenta las formas de onda sobre la carga de tensión y corriente para esta condición de operación,para una alimentación sinusoidal.


Figura 10.6: Forma de onda de corriente y tensión en la carga para la condición continuada decorriente

En las figuras 10.7 y 10.8 se presenta los oscilo gramas de tensión y corriente en la alimentacióndel puente rectificador para las dos condiciones de operación.

Figura 10.7: Oscilo grama de corriente y tensión para la condición no continuada de corriente en lafuente de alimentación alterna


Figura 10.8: Oscilo grama de corriente y tensión para la condición continuada de corriente en lafuente de alimentación alterna

En la figura 10.9 y 10.10 se presentan los espectros armónicos de las tensiones y corrientes en lalínea de alimentación alterna del rectificador para las dos condiciones de operación del puente. Sepuede observar que para la condición continuada, el contenido armónico en la corriente en la fuentees menor y presenta un mayor valor medio en el lado de corriente continua.

Figura 10.9: Espectro armónico de corriente y tensión para la condición no continuada en la líneade corriente alterna

10.5. CIRCUITO EQUIVALENTE DEL PUENTE RECTIFICADOR MONOFÁSICO 187

Figura 10.10: Espectro armónico de corriente y tensión para la condición continuada en la línea decorriente alterna

10.5. Circuito Equivalente del Puente Rectificador Monofásico

El puente rectificador de onda completa monofásico de puede modelar mediante la superposiciónde dos puentes de media onda desfasados en medio periodo de la señal de alterna, agrupando lostiristores T1, T3y T2, T4 en dos SCR TAy TB donde:

TA ⇒ T1∧T3TB ⇒ T2∧T4

(10.1)

En la figura 10.11 se presenta el circuito equivalente del puente rectificador de onda completamonofásico. El periodo de la señal en el lado de corriente continua es de la mitad del de la fuentede corriente alterna que alimenta el convertidor (T/2).

Figura 10.11: Circuito equivalente del rectificador de onda completa monofásico


En la figura 10.11 las fuente de tensión v1(t) corresponde a la tensión de la fuente original delsistema alterno (v f (t)) y la fuente v2(t) es la señal complementaria a la tensión v1(t).

v1(t)≡ v f (t)v2(t) = v1

(t + T

2

)= v f

(t + T

2

)=−v f (t)

(10.2)

El estudio del circuito equivalente del rectificador de onda completa monofásico, es simple y puederealizarse analizando cada puente de media onda por separado y utilizar el método de superposiciónpara integrar el análisis. Como el periodo de la señal en el lado de continua coincide con el intervalode conducción de cada puente de media onda basta con realizar el análisis de uno de ellos, ya queen otro se comporta de manera análoga.

10.6. Análisis de la Condición No Continuada de Corriente

En la figura 10.12, se presenta en puente rectificador de media onda con carga activa del tiporesistiva inductiva y fuente de tensión continua. El punte esta alimentado por una fuente alterna deforma sinusoidal dada por la expresión: v f (t) =

√2V sin(ωet).

Figura 10.12: Puente rectificador de media onda no controlado con carga activa

Considerando el Tiristor ideal, es decir que su tensión de ruptura es cero, el rango de controlabilidaddel puente esta determinado por aquello valores del ángulo de encendido donde el tiristor se en-cuentre 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 fuentessinusoidal y continua del circuito. El rango de control del tiristor esta comprendido para este casoparticular de fuente sinusoidal entre el ángulo de disparo mínimo y máximo (αmin ≤ α ≤ αmax).

10.6.1. Cálculo del Límite de Controlabilidad

El tiristor comienza a conducir cuando su tensión ánodo cátodo es mayor a cero, en este caso estacondición se alcanza para:

v f (t)≥ E (10.3)

10.6. ANÁLISIS DE LA CONDICIÓN NO CONTINUADA DE CORRIENTE 189

Sustituyendo la expresión de la fuente en la ecuación 10.3, se obtiene:

√2V sin(ωet)≥ E

sin(ωet)≥ E√2V

sin(α)≥ E√2V

α ≥ arcsin(

E√2V

)αmin ≤ α ≤ αmax

(10.4)

donde:

αmin = arcsin(m)

m =E√2V

αmax = π−αmin

Para encontrar el ángulo de apagado es necesario encontrar cuando la corriente pasa naturalmentepor cero (i(tβ ) = 0). La corriente para α ≤ ωt ≤ β es:

10.6.2. Solución Homogénea.


i(t)h = ke−RL t (10.5)


i(t)h = k e−ωt

tan(ϕ) (10.6)

donde:

tan(ϕ) =ωLR


i(t)p =−ER

(10.7)




i(t)p =√

2VZ

sin(ωet−ϕ) (10.8)

donde:

Z =√

R2 +(ωeL)2


Condición inicial del circuito debido a que el tiristor se encuentra abierto o en no conducción:i(tα) = 0

i(tα) = 0 =√


R + k e−α

tan(ϕ)

↓k =

(−√

2VZ sin(α−ϕ)+ E

R

)e

α

tan(ϕ)

↓

i(t) =√


R +(−√

2VZ sin(α−ϕ)+ E

R

)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

(10.9)


2V/Z tenemos:

i(t) =√

2VZ


cos(ϕ)+(

mcos(ϕ)

− sin(α−ϕ))


](10.10)

donde:

m =E√2V

cos(ϕ) =RZ

La corriente de la expresión 10.10 pasa naturalmente por cero cuando i(tβ ) = 0, por lo tanto el án-gulo de apagado se calcula igualando le expresión 10.10 ha cero. La ecuación 10.10 se hace cero siV = 0 o Z = ∞, estas dos soluciones son triviales e implican que el circuito no esta alimentando porninguna fuente de tensión o no posee carga conectada, por lo cual la única forma que la expresión10.10 sea cero es que el termino entre corchetes sea igual ha cero para tβ .[

sin(ωetβ −ϕ

)− m

cos(ϕ) +(


)e−

(ωtβ−α)

tan(ϕ)

]= 0[


(m

cos(ϕ) − sin(α−ϕ))

e−(β−α)tan(ϕ)

]= 0

(10.11)

10.6. ANÁLISIS DE LA CONDICIÓN NO CONTINUADA DE CORRIENTE 191




V0 = 1π

[∫β

α

√2V sin(ωet)dωet +

∫α+π

βEdωet

]V0 = 1

π

[√2V −cos(ωet)|βα + Eωet|α+π

β

]V0 =

√2Vπ

(cos(α)− cos(β ))+E(

π−(β−α)π

) (10.12)


I0 = 1π

∫β

αi(t)dωet

I0 = 1π

∫β

α

√2VZ


cos(ϕ) +(


)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

]dωet

I0 =√

2VZ

[1π

∫β

α

(sin(ωet−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

)dωet

]I0 = V0−E

R

(10.13)


Vrms =

√1π

(∫β

α

(√2V sin(ωet)

)2dωet +

∫α+π

βE2dωet

)Vrms =

√V 2

π

∫β

α(1− cos(2ωet))dωet + 1

π

∫α+π

βE2dωet

Vrms =

√V 2

π

(1− sin(2ωet)

2

)∣∣∣βα

+ E2

πωet|α+π

β

Vrms =√

V 2

π


2 + sin(2α)2

)+E2

(1− β−α

π

)Vrms =

√V 2

π

(γ− sin(2β )

2 + sin(2α)2

)+E2

(1− γ

π

)(10.14)

Nota: La expresión 10.14 solo es válida en radianes



Irms =√

1π

∫β

αi(t)2dωet

Irms =

√1π

∫β

α

(√2VZ


cos(ϕ) +(


)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

])2

dωet

Irms =√

2VZ

√1π

∫β

α

[(sin(ωet−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

)]2

dωet

(10.15)

10.7. Análisis de la Condición Continuada de Corriente

La condición continuada del puente rectificador de onda completa monofásico puede ser analizadaen régimen transitorio y régimen permanente de operación. En este capitulo centraremos el estudiodel puente al régimen permanente de operación.

Analizando el circuito equivalente del rectificador de onda completa monofásico, y considerandolos Tiristores ideales, es decir que su tensión de ruptura es cero, el rango de controlabilidad delpuente esta determinado por aquello valores del ángulo de encendido donde el tiristor se encuentrepolarizado en directo (vak ≥ 0), garantizando de esta forma la conducción de la componente, estoocurre 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 fuentessinusoidal y continua del circuito. El rango de control del tiristor esta comprendido para este casoparticular de fuente sinusoidal entre el ángulo de disparo mínimo y máximo (αmin ≤ α ≤ αmax).



v f (t)≥ E (10.16)



sin(ωet)≥ E√2V

sin(α)≥ E√2V

α ≥ arcsin(

E√2V


(10.17)

donde:

αmin = arcsin(m)

10.7. ANÁLISIS DE LA CONDICIÓN CONTINUADA DE CORRIENTE 193

m =E√2V

αmax = π−αmin

Para considerar que el puente se encuentra en condición continuada se debe cumplir que:

β ≥ α +π

Imin > 0

La expresión de la corriente en la carga en régimen permanente para α ≤ ωet ≤ α + πy conside-rando la condición inicial de corriente i(tα) = Imines:



i(t)h = ke−RL t (10.18)


i(t)h = k e−ωt

tan(ϕ) (10.19)

donde:

tan(ϕ) =ωLR


i(t)p =−ER

(10.20)



i(t)p =√

2VZ

sin(ωet−ϕ) (10.21)

donde:

Z =√

R2 +(ωeL)2



Condición inicial del circuito debido a que el tiristor se encuentra abierto o en no conducción:i(tα) = Imin

i(tα) = Imin =√


R + k e−α

tan(ϕ)

↓k =

(Imin−

√2VZ sin(α−ϕ)+ E

R

)e

α

tan(ϕ)

↓

i(t) =√


R +(

Imin−√

2VZ sin(α−ϕ)+ E

R

)e−

(ωt−α)tan(ϕ)

(10.22)


2V/Z tenemos:

i(t) =√

2VZ


cos(ϕ)+(

mcos(ϕ)

− sin(α−ϕ))


]+Imine−

(ωt−α)tan(ϕ) (10.23)

donde:

m =E√2V

cos(ϕ) =RZ

Como el puente se encuentra trabajando en régimen permanente, debe satisfacer la condición:

i(t) = i(t +T ) (10.24)

Aplicando la condición de régimen permanente en el punto final del intervalo se puede encontrarel valor de la condición inicial de corriente (Imin).

i(tα+π) = Imin (10.25)

(23)

Sustituyendo la expresión 10.25 en la ecuación 10.23 se obtiene:

Imin =√

2VZ

[sin(α +π−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−

(α+π−α)tan(ϕ)

]+ Imine−

(α+π−α)tan(ϕ)

Imin

(1− e−

π

tan(ϕ))

=√

2VZ

[sin(α +π−ϕ)− m

cos(ϕ) +(


)e−

π

tan(ϕ)](10.26)

Recordando que:

sin(π +a) = sin(π)cos(a)+ sin(a)cos(π) =−sin(a) (10.27)


Se puede simplificar la expresión 10.26 en:

Imin

(1− e−

π

tan(ϕ))

=√

2VZ

[−sin(α−ϕ)

(1+ e−

π

tan(ϕ))

+m

cos(ϕ)

(e−

π

tan(ϕ) −1)]

(10.28)

Calculando Iminde la expresión 10.28, se obtiene:

Imin =√

2VZ

sin(ϕ−α)

[1+ e−

π

tan(ϕ)

1− e−π

tan(ϕ)

]− E

R(10.29)

Reemplazando la expresión 10.29 en la expresión 10.23 y simplificando se obtiene la corriente totalcomo:

i(t) =√

2VZ

sin(ωet−ϕ)− mcos(ϕ)

−

2sin(α−ϕ)e−(ωet−α)

tan(ϕ)

1− e−π

tan(ϕ)

(10.30)

La corriente de la expresión 10.30 pasa naturalmente por cero cuando i(tβ ) = 0, por lo tanto el án-gulo de apagado se calcula igualando le expresión 10.30 ha cero. La ecuación 10.30 se hace cero siV = 0 o Z = ∞, estas dos soluciones son triviales e implican que el circuito no esta alimentando porninguna fuente de tensión o no posee carga conectada, por lo cual la única forma que la expresión10.30 sea cero es que el termino entre corchetes sea igual ha cero para tβ .

sin(ωetβ −ϕ

)− m

cos(ϕ) −

2sin(α−ϕ)e−(ωet

β−α)

tan(ϕ)

1−e− π

tan(ϕ)

= 0[sin(β −ϕ)− m

cos(ϕ) −

(2sin(α−ϕ)e

− (β−α)tan(ϕ)

1−e− π

tan(ϕ)

)]= 0

(10.31)

La expresión 10.31 no posee una solución analítica para β , este tipo de expresión se le conocecomo ecuación trascendental y su solución es numérica. Diversos métodos de solución numérica sepueden emplear para la solución de esta ecuación. La solución del ángulo de apagado esta acotadaentre α +π ≤ β ≤ 2π para cualquier caso.

Para encontrar la tensión y corriente media y efectiva se aplicara la definición en vista anteriormenteen el intervalo del periodo en donde la función esta definida, que es entre el ángulo de encendidodel primer tiristor y el del segundo. Recuerde que el encendido de la segunda componente fuerzael apagado de la primera debido a que origina un nuevo camino de circulación para la corriente.



V0 = 1π

[∫α+π

α

√2V sin(ωet)dωet

]V0 = 1

π

[√2V −cos(ωet)|α+π

α

]V0 =

√2Vπ

(cos(α)− cos(α +π))V0 = 2

√2V

πcos(α)

V0 ≈ 0,9V cos(α)

(10.32)


I0 = 1π

∫α+π

αi(t)dωet

I0 = 1π

∫α+π

α

√2VZ


cos(ϕ) −

(2sin(α−ϕ)e

− (ωet−α)tan(ϕ)

1−e− π

tan(ϕ)

)]dωet

I0 =√

2VZ

[1π

∫α+π

α


cos(ϕ) −

(2sin(α−ϕ)e


1−e− π

tan(ϕ)

)]dωet

]I0 = V0−E

R

(10.33)


Vrms =

√1π

∫α+π

α

(√2V sin(ωet)

)2dωet

Vrms =√

V 2

π

∫α+π

α(1− cos(2ωet))dωet

Vrms =√

V 2

π

(1− sin(2ωet)

2

)∣∣∣α+π

α

Vrms =√

V 2

π

(α +π−α− sin(2(α+π))

2 + sin(2α)2

)Vrms =

√V 2

π

(π− sin(2α+2π)

2 + sin(2α)2

)Vrms =

√V 2π

π

Vrms = V

(10.34)



Irms =√

1π

∫α+π

αi(t)2dωet

Irms =

√√√√ 1π

∫β

α

(√

2VZ


cos(ϕ) −

(2sin(α−ϕ)e


1−e− π

tan(ϕ)

)])2

dωet

Irms =√

2VZ

√√√√ 1π

∫β

α


cos(ϕ) −

(2sin(α−ϕ)e


1−e− π

tan(ϕ)

)]2

dωet

(10.35)

10.7.10. Análisis en Series de Fourier de la Tensión en la Carga

La tensión en la carga se puede representar en serie de Fourier utilizando la siguiente expresión:

Vcarga(t) = V0 +∞

∑n=1

an cos(nωet)+∞

∑n=1

bn sin(nωet) (10.36)

Donde:

V0 ≈ 0,9V cos(α)

ωe =2π

T

an =2T

∫ T

0v f (t)cos(nωet)dt

bn =2T

∫ T

0v f (t)sin(nωet)dt

10.7.10.1. Cálculo de los términos an:

an =2π

∫α+π

α

√2V sin(ωet)cos(nωet)dωet (10.37)

Recordando que:

sin(a)cos(b) =12

(sin(a+b)+ sin(a−b)) (10.38)



an = 2√

2V2π

∫α+π

α(sin([1+n]ωet)+ sin([1−n]ωet))

an = 2√

2V2π

[−cos([1+n]ωet)

1+n

∣∣∣α+π

α− cos([1−n]ωet)

1−n

∣∣∣α+π

α

]an = 2

√2V

2π

[−cos([1+n](α+π))−cos([1+n](α))

n+1 + cos([1−n](α+π))−cos([1−n](α))n−1

] (10.39)

Para simplificar la expresión 10.39, analizaremos el valor de cos(k (α +π)) donde k ∈ N:

cos(k (α +π)) = cos(k (α))cos(k (π))− sin(k (α))sin(k (π)) (10.40)

Como el valor de k es entero y pertenece a los números naturales sin(k (π)) = 0 y cos(k (π)) =(−1)k, por lo tanto la expresión 10.40, se puede escribir como:

cos(k (α +π)) = cos(k (α))(−1)k (10.41)

Sustituyendo la expresión 10.41 en la 10.39, se obtiene:

an =√

2Vπ

[cos([1−n] (α))

n−1

((−1)k−1

)− cos([n+1] (α))

n+1

((−1)k−1

)](10.42)

Analizando la expresión 10.42 para los valores de n pares e impares se obtiene:

Para n par:

an =2√

2Vπ

[cos([1−n] (α))

n−1− cos([n+1] (α))

n+1

](10.43)

Para n impar:

an = 0 (10.44)

10.7.10.2. Cálculo de los términos bn:

bn =2π

∫α+π

α

√2V sin(ωet)sin(nωet)dωet (10.45)

Recordando que:

sin(a)sin(b) =12

(cos(a−b)− cos(a+b)) (10.46)


bn = 2√

2V2π

∫α+π

α(cos([1−n]ωet)− cos([1+n]ωet))

bn = 2√

2V2π

[sin([1−n]ωet)

1−n

∣∣∣α+π

α− sin([1+n]ωet)

1+n

∣∣∣α+π

α

]bn = 2

√2V

2π

[sin([1−n](α+π))−sin([1−n](α))

1−n − sin([1+n](α+π))−sin([1+n](α))n+1

] (10.47)


Para simplificar la expresión 10.47, analizaremos el valor de sin(k (α +π)) donde k ∈ N:

sin(k (α +π)) = sin(k (α))cos(k (π))− cos(k (α))sin(k (π)) (10.48)

Como el valor de k es entero y pertenece a los números naturales sin(k (π)) = 0 y cos(k (π)) =(−1)k, por lo tanto la expresión 10.48, se puede escribir como:

sin(k (α +π)) = sin(k (α))(−1)k (10.49)

Sustituyendo la expresión 10.49 en la 10.47, se obtiene:

bn =√

2Vπ

[sin([n−1] (α))

n−1

((−1)k−1

)− sin([n+1] (α))

n+1

((−1)k−1

)](10.50)

Analizando la expresión 10.50 para los valores de n pares e impares se obtiene:

Para n par:

bn =2√

2Vπ

[sin([n+1] (α))

n+1− sin([n−1] (α))

n−1

](10.51)

Para n impar:

bn = 0 (10.52)


10.8. Simulación

En el algoritmo 10, se presenta el listado para Pspice de un puente rectificador controlado con cargaresistiva inductiva.

Algoritmo 10 Puente rectificador monofásico controlado* Rectificador Monofásico Controlado********************* PARAMETROS DEL CIRCUITO *****************.PARAM VRMS=120 ;TENSIÓN EFECTIVA DE LA FUENTE.PARAM ALFA=30 ;ÁNGULO DE DISPARO.PARAM R=10 ;CARGA RESISTIVA.PARAM L=223mH ;CARGA INDUCTIVA.PARAM F=60 ;FRECUANCIA DE LA FUENTE************************** FUENTE *****************************VF 1 0 SIN(0 SQRT(2)*VRMS F 0 0 ALFA)************************** PUENTE *****************************D1 1 10 DMODSW1 10 2 D12 0 SMODD2 0 11 DMOD ;SW2 11 2 D34 0 SMODD4 4 12 DMOD ;SW4 12 1 D34 0 SMODD3 4 13 DMODSW3 13 0 D12 0 SMOD************************** CARGA ******************************R 2 3 RL 3 4 L************************** MODELOS ****************************.MODEL DMOD D.MODEL SMOD VSWITCH (RON=.01)****************** CONTROL INTERRUPTORES **********************VCONTROL D12 0 PULSE(-10 10 0 1US 1US .51/F 1/F)VCONTROL2 D34 0 PULSE(-10 10 .5/F 1US 1US .51/F 1/F)************************** ANALISIS ***************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(3) I(R).PROBE.PRINT TRAN V(2) I(R) I(D1) I(D2) V(1) ;salida a archivo.END

En el algoritmo 11, se presenta el listado para Pspice para un rectificador monofásico de diodoscon carga activa del tipo resistiva inductiva.


Algoritmo 11 Puente rectificador monofásico no controlado* Rectificador Monofásico No Controlado********************* PARAMETROS DEL CIRCUITO *****************.PARAM VRMS=120 ;TENSIÓN EFECTIVA DE LA FUENTE.PARAM E=30 ;FUENTE DE CONTINUA.PARAM R=10 ;CARGA RESISTIVA.PARAM L=223mH ;CARGA INDUCTIVA.PARAM F=60 ;FRECUANCIA DE LA FUENTE************************** FUENTE *****************************VF 1 0 SIN(0 SQRT(2)*VRMS F)************************** PUENTE *****************************D1 1 2 DMODD2 0 2 DMODD4 4 1 DMODD3 4 0 DMOD************************** CARGA ******************************R 2 2A RL 2A 3 LVDC 3 4 E************************** MODELOS ****************************.MODEL DMOD D************************** ANALISIS ***************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(3) I(R).PROBE.PRINT TRAN V(2) I(R) I(D1) I(D2) V(1) ;salida a archivo.END


Capítulo 11

Rectificador de Onda Completa Trifásico


La finalidad de los rectificadores trifásicos es la misma que los de media onda y onda completamonofásica, generar una tensión o corriente continua especifica, a partir de una fuente de corrien-te alterna. Los rectificadores trifásicos, presentan mejores ventajas comparativas que los de mediaonda. La ventaja más importante, es que la corriente en el sistema alterno de alimentación del rec-tificador es cero, evitando así los problemas asociados al fenómeno de saturación de las máquinaseléctricas conectadas a la misma barra de alimentación en corriente alterna. Adicionalmente, dis-minuye el rizado en las corrientes de salida en la barra de corriente continua y se obtiene un mayorvalor de tensión y corriente continua.

En este capitulo se analizará el puente rectificador trifásico controlado, el análisis del rectificadorno controlado o de diodos es análogo al controlado si sustituimos el ángulo de disparo por cero.

11.2. Aplicaciones


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.

203

204 CAPÍTULO 11. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA TRIFÁSICO

11.3. Esquema del Rectificador Trifásico

En la figura 11.1, se presenta el esquema de un rectificador controlado trifásico. Este puente estacompuesto por seis interruptores electrónicos de potencia, lo cuales son encendidos alternadamenteen parejas cada medio ciclo de las tres ondas alternas de la fuente de poder.

Figura 11.1: Diagrama del puente rectificador trifásico

11.4. Operación del Puente Rectificador

En el análisis inicial del circuito de la figura 1, se supondrá que el generador trifásico es equilibrado,de secuencia positiva (a, b, c) e ideal al igual que los Tiristores. Observaciones básicas sobre elcircuito:

1. El puente presenta en sus terminales eléctricos de alimentación la tensión línea a línea delsistema 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 puedeconducir un tiristor en la mitad superior del puente (T1, T3, T5). El tiristor en estado de con-ducción corresponde al que presenta la mayor tensión instantánea de fase en su cátodo y tienepulso de encendido.

3. De igual forma, la ley de Kirchhoff de tensiones muestra que sólo puede conducir a la vez untiristor de la mitad inferior (T2, T4, T6). El tiristor en estado de conducción tendrá su cátodoconectado 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 origina-rían un cortocircuito en la barra de corriente continua.

5. La tensión de salida del puente se obtiene como la superposición de las tensiones línea a líneadel sistema trifásico y de sus complementos.

6. Debido a que la transición de la tensión línea a línea más elevada se realiza cada sexto delperiodo del generador el puente se denomina: rectificador de seis pulsos.

En la figura 11.2, se presenta la tensión de fase neutro del generador trifásico que alimenta elrectificador trifásico o seis pulsos. La tensión interna del generador es 120V efectivos a 60Hz. En


la figura 11.3 se muestra las tensiones línea a línea que genera este sistema de tensiones trifásicaslínea a neutro con su respectivo complemento.

Figura 11.2: Tensiones fase neutro del generador trifásico

Figura 11.3: Tensiones línea a línea del generador trifásico con sus complementos

En la figura 11.4, se presenta la tensión y corriente, en etapa transitoria y régimen permanente, enla barra de corriente continua para una carga del tipo RLE donde R = 60Ω, L = 223mH y E = 40V ,con un ángulo de encendido α = 50 . En la figura 11.5, se presenta un detalle de la tensión y la


corriente en régimen permanente de operación. El periodo de la señal sobre la carga es un sexto delde la fuente de alterna, es decir de π/3.

Figura 11.4: Corriente y tensión en la carga RLE del puente trifásico

Figura 11.5: Detalle del régimen permanente de la corriente y tensión en la carga RLE del puentetrifásico

En la figura 11.6, se presenta la corriente por cada tiristor del puente. La corriente en un tiristoren conducción es igual a la corriente en la carga, cada componente conduce una tercera parte delperiodo de la fuente.


Para calcular la corriente en cada fase del generador se aplicara la ley de Kirchhoff de corriente enlos terminales eléctricos del puente rectificador.

ia = iT1 − iT6

ib = iT3 − iT2

ic = iT5 − iT4

(11.1)

Figura 11.6: Corriente por los tiristores del puente trifásico en régimen permanente

En la figura 11.7, se presenta las corrientes en cada una de las fases del generador para la cargaRLE considerada con un ángulo de disparo de 50, en régimen permanente de operación.


Figura 11.7: Corriente en las fases del generador en régimen permanente de operación

De la operación del puente rectificador se puede determinar la corriente media y efectiva de ope-ración de los tiristores y la corriente efectiva sobre las fases del sistema alterno de alimentación.Asumiendo, que el valor de inductancia de la carga garantiza que el cociente entre el valor medioy efectivo de la corriente sobre esta, en régimen permanente de operación, este cercano a uno sepuede determinar estos valores como:

I0Tiristor =13

I0 (11.2)

IrmsTiristor =1√3

Io (11.3)

IrmsSistema =

√23

I0 (11.4)

La potencia aparente entregada por el generador trifásico es:

ST =√

3VllIrmsSistema (11.5)

En la figura 11.8, se presenta el contenido armónico de corriente introducido por el puente al sis-tema de alimentación alterno. El contenido armónico introducido por el puente rectificador de seispulso es menor y de mayor frecuencia que el introducido por el rectificador monofásico equivalente.


Figura 11.8: Contenido armónico de la corriente en las fases del generador

En la figura 11.9, se presenta la secuencia de disparo en pareja de los Tiristores para el puenterectificador de seis pulsos. Esta secuencia se determina a partir de los Tiristores polarizados endirecto por la tensión línea a línea mayor en cada intervalo. En esta figura támbien, se apreciaclaramente como cada tiristor conduce un tercio del ciclo de la fuente de tensión de alterna.

Figura 11.9: Secuencia de encendido de los tiristores para el puente rectificador de seis pulsos

Comercialmente los rectificadores poseen filtro pasabajos en el lado de corriente continua, en lafigura 11.10, se presenta la forma de onda típica de tensión línea a línea y corriente en la fase“a” de un sistema de potencia que alimenta un rectificador trifásico no controlado (diodos) el cualposee en el Bus de corriente continua un filtro pasabajos (LC) para disminuir el rizado de la tensiónde continua sobre la carga. Adicionalmente en la figura 11.11, se presenta el contenido armónicointroducido al sistema por la operación de este puente convertidor.


Figura 11.10: Forma de onda de tensión y corriente en el sistema de alimentación del rectificadorde diodos

Figura 11.11: Contenido armónico introducido al sistema por la opración del rectificador de diodos

Si comparamos el contenido armónico de la corriente de la figura 11.8, que corresponde a la opera-ción de un rectificador sin filtro pasabajos (LC) en el Bus de corriente continua, con el de la figura11.11 el cual posee filtro, vemos como la utilización del filtro en el lado de continua incrementanotoriamente el contenido armónico de la corriente en especial la 5ta y 7ma armónica.

11.5. ANÁLISIS DE LA OPERACIÓN DEL PUENTE 211

11.5. Análisis de la Operación del Puente

La condición de operación del puente de seis pulsos puede ser analizada en régimen transitorio yrégimen permanente de operación. En este capitulo centraremos el estudio del puente al régimenpermanente de operación.

Analizando el circuito de la figura 11.1, y considerando los Tiristores ideales, es decir que su tensiónde ruptura es cero, el rango de controlabilidad del puente esta determinado por aquello valores delángulo de encendido donde el tiristor se encuentre polarizado en directo (vak ≥ 0), garantizandode esta forma la conducción de la componente, esto ocurre cuando la fuente de tensión sinusoidaliguala y supera a la fuente de tensión continua (E) de la carga por lo cual el ángulo de encendidomínimo es función de la magnitud de las fuentes sinusoidal y continua del circuito. El rango decontrol del tiristor esta comprendido para este caso particular de fuente sinusoidal entre el ángulode disparo mínimo y máximo (αmin ≤ α ≤ αmax).



v f (t)≥ E (11.6)



sin(ωet)≥ E√2V

sin(α)≥ E√2V

α ≥ arcsin(

E√2V


(11.7)

donde:

αmin = arcsin(m)

m =E√2V

αmax = π−αmin

La expresión de la corriente en la carga en régimen permanente para α +π/3≤ ωet ≤ α +2π/3 yconsiderando la condición inicial de corriente i

(tα+π/3

)= Imin , viene dada por:




i(t)h = ke−RL t (11.8)


i(t)h = k e−ωt

tan(ϕ) (11.9)

donde:

tan(ϕ) =ωLR


i(t)p =−ER

(11.10)



i(t)p =√

2VZ

sin(ωet−ϕ) (11.11)

donde:

Z =√

R2 +(ωeL)2


Condición inicial del circuito debido a que el tiristor se encuentra abierto o en no conducción:i(tα+π/3

)= Imin

i(tα+π/3

)= Imin =

√2VZ sin

(α + π

3 −ϕ)− E

R + k e−α+ π

3tan(ϕ)

↓

k =(

Imin−√

2VZ sin

(α + π

3 −ϕ)+ E

R

)e

α+ π3

tan(ϕ)

↓

i(t) =√


R +(

Imin−√

2VZ sin

(α + π

3 −ϕ)+ E

R

)e−

(ωt−α− π3 )

tan(ϕ)

(11.12)



2V/Z tenemos:

i(t)=√

2VZ


cos(ϕ)+(

mcos(ϕ)

− sin(

α +π

3−ϕ

))e−

(ωt−α− π3 )

tan(ϕ)

]+Imine−

(ωt−α− π3 )

tan(ϕ)

(11.13)

donde:

m =E√2V

cos(ϕ) =RZ

Como el puente se encuentra trabajando en régimen permanente, debe satisfacer la condición:

i(t) = i(t +T ) (11.14)

Aplicando la condición de régimen permanente en el punto final del intervalo se puede encontrarel valor de la condición inicial de corriente (Imin).

i(tα+2π/3

)= Imin (11.15)


Imin =√

2VZ

[sin(α + 2π

3 −ϕ)− m

cos(ϕ) +(

mcos(ϕ) − sin

(α + π

3 −ϕ))

e−(α+ 2π

3 −α− π3 )

tan(ϕ)

]

+Imine−(α+ 2π

3 −α− π3 )

tan(ϕ)

Imin

(1− e−

π3

tan(ϕ)

)=

√2VZ

[sin(α + 2π

3 −ϕ)− m

cos(ϕ)

]+√

2VZ

[(m

cos(ϕ) − sin(α + π

3 −ϕ))

e−π3

tan(ϕ)

]

Imin =√

2VZ

sin(α+ 2π

3 −ϕ)−sin(α+ π

3−ϕ)e−

π3

tan(ϕ)

1−e−

π3

tan(ϕ)

− ER

(11.16)

Reemplazando la expresión 11.16 en la ecuación 11.13 y simplificando se obtiene la corriente totalcomo:

i(t) =√

2VZ

sin(ωet−ϕ)− mcos(ϕ)

+

sin(α+ 2π


3−ϕ)e−

π3

tan(ϕ)

1−e−

π3

tan(ϕ)

−sin(α + π

3 −ϕ)

e−(ωt−α− π

3 )tan(ϕ)

(11.17)


La corriente de la expresión 11.17 pasa naturalmente por cero cuando i(tβ ) = 0, por lo tanto el án-gulo de apagado se calcula igualando le expresión 11.17 ha cero. La expresión 11.17 se hace cero siV = 0 o Z = ∞, estas dos soluciones son triviales e implican que el circuito no esta alimentando porninguna fuente de tensión o no posee carga conectada, por lo cual la única forma que la expresión11.17 sea cero es que el termino entre corchetes sea igual ha cero para tβ .

sin(ωetβ −ϕ

)− m

cos(ϕ) +

sin(α+ 2π


3−ϕ)e−

π3

tan(ϕ)

1−e−

π3

tan(ϕ)

− sin(α + π

3 −ϕ)e−

(ωtβ−α− π

3 )tan(ϕ)

= 0sin(β −ϕ)− mcos(ϕ) +

sin(α+ 2π


3−ϕ)e−

π3

tan(ϕ)

1−e−

π3

tan(ϕ)

− sin(α + π

3 −ϕ)e−

(β−α− π3 )

tan(ϕ)

= 0

(11.18)

La expresión 11.18, no posee una solución analítica para β , este tipo de expresión se le conocecomo ecuación trascendental y su solución es numérica. Diversos métodos de solución numérica sepueden emplear para la solución de esta ecuación. La solución del ángulo de apagado esta acotadaentre α +2π/3≤ β ≤ 2π para cualquier caso.

Para encontrar la tensión y corriente media y efectiva se aplicara la definición en vista anteriormenteen el intervalo del periodo en donde la función esta definida, que es entre el ángulo de encendidodel primer tiristor y el del segundo. Recuerde que el encendido de la segunda componente fuerzael apagado de la primera debido a que origina un nuevo camino de circulación para la corriente.


V0 = 3π

[∫ α+ 2π

3α+ π

3


]V0 = 3

π

[√2V −cos(ωet)|

α+ 2π

3α+ π

3

]V0 = 3

√2V

π

(cos(α + π

3

)− cos

(α + 2π

3

))V0 = 3

√2V

π

(cos(α)cos

(π

3

)− sin(α)sin

(π

3

)− cos(α)cos

(2π

3

)+ sin(α)sin

(2π

3

))V0 = 3

√2V

π

(12 cos(α)−

√3

2 sin(α)+ 12 cos(α)+

√3

2 sin(α))

V0 = 3√

2Vπ

cos(α)V0 ≈ 1,35V cos(α)

(11.19)



I0 = 3π

∫ α+ 2π

3α+ π

3i(t)dωet

I0 = 3π

∫ α+ 2π

3α+ π

3

√2VZ

sin(ωet−ϕ)− mcos(ϕ) +

sin(α+ 2π


3−ϕ)e−

π3

tan(ϕ)

1−e−

π3

tan(ϕ)

−sin(α + π

3 −ϕ)

e−(ωt−α− π

3 )tan(ϕ)

dωet

I0 =√

2VZ

3π

∫ α+ 2π

3α+ π

3

sin(ωet−ϕ)− mcos(ϕ) +

sin(α+ 2π


3−ϕ)e−

π3

tan(ϕ)

1−e−

π3

tan(ϕ)

−sin(α + π

3 −ϕ)

e−(ωt−α− π

3 )tan(ϕ)

dωet

I0 = V0−E

R(11.20)


Vrms =

√3π

∫ α+ 2π

3α+ π

3

(√2V sin(ωet)

)2dωet

Vrms =√

3V 2

π

∫ α+ 2π

3α+ π

3(1− cos(2ωet))dωet

Vrms =

√3V 2

π

(1− sin(2ωet)

2

)∣∣∣α+ 2π

3

α+ π

3

Vrms =

√3V 2

π

(α + 2π

3 −α− π

3 −sin(2(α+ π

3 ))2 +

sin(2(α+ 2π

3 ))2

)Vrms =

√V 2

π

(π− sin(2α+2π)

2 + sin(2α)2

)Vrms =

√2V√

12 + 3

√3

4πcos(2α)

(11.21)


Irms =√

3π

∫ α+ 2π

3α+ π

3i(t)2dωet

Irms =√

6VZ√

π

√√√√√√√√√√

∫ α+ 2π

3α+ π

3

sin(ωet−ϕ)− m

cos(ϕ)

+

sin(α+ 2π


3−ϕ)e−

π3

tan(ϕ)

1−e−

π3

tan(ϕ)

−sin(α + π

3 −ϕ)

e−(ωt−α− π

3 )tan(ϕ)

2

dωet

(11.22)


11.6. Manejador de Disparo de los SCR

En la figura 11.12, se presenta el esquema de un manejador de disparo para los tiristores quecomponen el puente. Este manejador se basa en tomar una muestra de la tensión de alimentacióndel rectificador, detectar los cruces por cero de la señal a fin de sincronizar los disparos del SCR,a partir de esta referencia un multiplicador de frecuencia genera seis ondas con un tercio de lafrecuencia original. Por otra parte un generador de funciones determina, para el valor de la tensiónde corriente continua de referencia y con la limitación del ángulo máximo de disparo, el valor α

que satisface el valor de referencia de continua bajo la premisa que la onda de alimentación derectificador es puramente sinusoidal. Con la tensión de referencia, al ángulo de diparo y las seisondas de un tercio de la frecuencia, se alimenta un circuito retardador el cual genera un pulso dedisparo para cada uno de los tiristores que conforman el puente de acuerdo a su orden de encendido,este pulso se amplifica y se envía a los gate de cada tiristor. El esquema paar un puente monofásicoes similar con la diferencia que el multiplicador de frecuencia genera dos ondas a la mitad de lafrecuncia de la referencia.

Figura 11.12: Manejador de disparo para tiristores

11.7. Simulación

En el algoritmo 12, se presenta el listado para Pspice de un puente rectificador controlado con cargaactiva, resistiva inductiva.


Algoritmo 12 Puente rectificador trifásico controlado* Rectificador Trifásico Controlado********************* PARAMETROS DEL CIRCUITO *******************.PARAM VRMS=416 ;TENSIÓN EFECTIVA DE LA FUENTE LINEA A LINEA.PARAM E=30 ;FUENTE DE CONTINUA.PARAM R=10 ;CARGA RESISTIVA.PARAM L=223mH ;CARGA INDUCTIVA.PARAM F=60 ;FRECUANCIA DE LA FUENTE.PARAM ALFA=40 ;ANGULO DE ENCENDIDO.PARAM VMLN=VRMS*SQRT(2/3).PARAM DEL=1/(6*F).PARAM PW=1/(2.9*F).PARAM PERIODO=1/F************************** FUENTES ******************************VAN 1 0 SIN(0 VMLN F)VBN 2 0 SIN(0 VMLN F 0 0 -120VCN 3 0 SIN(0 VMLN F 0 0 -240************************** CIRCUITO ****************************SW1 1 8 18 0 SMODD1 8 4 DMODSW2 5 11 21 0SMOD D2 11 2 DMODSW4 5 13 23 0 SMODD4 13 3 DMODSW3 2 10 20 0 SMODD3 10 4 DMODSW5 3 12 22 0 SMODD5 12 4 DMODSW6 5 9 19 0 SMODD6 9 1 DMOD************************** CARGA ******************************R 4 4A RL 4A 4B LVDC 4B 5 E ******************** CONTROL DE LOS INTERRUPTORES **************V1 18 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360 0 0 PW PERIODOV6 19 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360+3*DEL 0 0 PW PERIODOV3 20 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360+2*DEL 0 0 PW PERIODOV2 21 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360+5*DEL 0 0 PW PERIODOV5 22 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360+4*DEL 0 0 PW PERIODOV4 23 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360+1*DEL 0 0 PW PERIODO************************** MODELOS ****************************.MODEL DMOD D .MODEL SMOD VSWITCH(RON=0.01)************************** ANALISIS ***************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(3) I(R).PROBE.PRINTTRAN V(4,5) I(R) I(D1) I(D6) V(1,2) I(VAN) ;salida a archivo

.END

En el algoritmo 13, se presenta el listado para Pspice para un rectificador de diodos con carga activadel tipo resistiva inductiva.


Algoritmo 13 Puente rectificador trifásico no controlado* Rectificador Trifásico No Controlado********************* PARAMETROS DEL CIRCUITO ********************.PARAM VRMS=416 ;TENSIÓN EFECTIVA DE LA FUENTE LINEA A LINEA.PARAM E=30 ;FUENTE DE CONTINUA.PARAM R=10 ;CARGA RESISTIVA.PARAM L=223mH ;CARGA INDUCTIVA.PARAM F=60 ;FRECUANCIA DE LA FUENTE.PARAM VMLN=VRMS*SQRT(2/3)************************** FUENTES ******************************VAN 1 0 SIN(0 VMLN F)VBN 2 0 SIN(0 VMLN F 0 0 -120VCN 3 0 SIN(0 VMLN F 0 0 -240************************** CIRCUITO *****************************D1 1 4 DMODD2 6 2 DMODD4 6 3 DMODD3 2 4 DMODD5 3 4 DMODD6 6 1 DMOD************************** CARGA ******************************R 4 4A RL 4A 5 LVDC 5 6 E************************** MODELOS ***************************.MODEL DMOD D************************** ANALISIS ***************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(3) I(R).PROBE.PRINT TRAN V(4,6) I(R) I(D1) I(D6) V(1,2) I(VAN) ;salida a archivo.END

Capítulo 12

Efecto de la Inductancia del Generador enlos Rectificadores


En este capítulo analizaremos el efecto sobre la tensión de la carga que produce considerar la in-ductancia de la fuente sobre los rectificadores monofásicos y trifásicos. Esta inductancia se originaa considerar la fuente no ideal, para este caso donde estudiamos sistemas de potencia el parámetrode mayor importancia del modelo real de la fuente es el inductivo. Adicionalmente, si considera-mos el modelo Thévening del sistema para evaluar el impacto del rectificador sobre el sistema depotencia, este esta representado por una fuente y una reactancia.

La mayoría de los rectificadores no controlados y controlados son alimentados por un transforma-dor que adecua el nivel de tensión a los requerimientos de la carga. En la figura 12.1, se presenta elmodelo ”Γ” del transformador obtenido mediante las pruebas de cortocircuito y vacío.

Figura 12.1: Modelo ”Γ” del transformador

En sistemas de potencia debido a que la corriente consumida por la rama de magnetización esmenor al 1% de la nominal del transformador se tiende a despreciar su efecto el cual no repercutenotoriamente sobre su punto de operación. Adicionalmente, la resistencia de la rama de cortocircui-to se tiende a despreciar debido a que su valor es mucho menor que la reactancia. Esta aproximación

219

220CAPÍTULO 12. EFECTO DE LA INDUCTANCIA DEL GENERADOR EN LOS RECTIFICADORES

del modelo del transformador en sistemas de potencia es tan utilizada para los cálculos de nivel decortocircuito, estabilidad y flujo de carga, que el fabricante del transformador suministra el valor dela reactancia de cortocircuito en la placa de identificación del convertidor electromecánico. El valorde la reactancia es suministrado en porcentaje (%) o por unidad (p.u.) de la base de impedancia deltransformador (Zbase). Este valor en transformadores de potencia oscila ente un 10% y 12% de labase de impedancia del transformador.

Z[Ω] =X[%] ·Zbase

100= X[p.u.] ·Zbase (12.1)

Donde:

Zbase =V 2

nST

(12.2)

Por otra parte los conductores que premien acoplar el rectificador a la fuente de poder o al transfor-mador, poseen una inductancia la cual se puede estimar a partir del calibre y distancia del conductoro ser asumida para los sistemas de baja tensión (<600 V) en 0,1 µH

m por fase.

12.2. Rectificador Monofásico

En la figura 12.2, se presenta el esquema de un rectificador no controlado monofásico con cargaresistiva inductiva y una inductancia de fuente . El valor de la inductancia de la carga garantiza queel cociente entre la corriente media y efectiva de la carga sea tendiente a la unidad.

Figura 12.2: Puente rectificador monofásico con inductancia en la fuente

La inductancia de la fuente origina que al cambiar la polaridad de la tensión del generador, lacorriente del mismo no podrá cambiar instantáneamente y deberá ser transferida paulatinamenteentre los diodos D1, D3 y D2, D4. El periodo de tiempo durante el cual se realiza el proceso detransferencia de corriente entre los dos pares de diodos se denomina intervalo de conmutación y esdenotado con la letra ”µ”. Durante el proceso de conmutación los cuatros diodos que conformanel rectificador permanecen encendidos originando dos cortocircuitos, uno a nivel de la carga de labarra de continua y otro a nivel de la fuente. La corriente de cortocircuito de la fuente es únicamentelimitada por la inductancia Lσ .

12.2. RECTIFICADOR MONOFÁSICO 221

En la figura 12.3, se presenta el oscilo grama de tensión en la barra de corriente continua y lacorriente por el diodo número 1 y de la fuente de alterna, destacando el intervalo de conmutacióndel puente.

Figura 12.3: Tensión en la barra de continua y corriente durante el proceso de conmutación

En la figura 12.3, se puede observar que durante la conmutación la tensión en la barra de corrientecontinua cae a cero disminuyendo el valor de tensión media obtenida del rectificador.

12.2.1. Análisis del Proceso de Conmutación

Supongamos que el puente de la figura 12.2, se alimenta de una fuente de tensión sinusoidal de laforma v f (t) =

√2V sin(ωet) y que la corriente en la carga es constante y de valor I0. La condición

inicial de corriente en la inductancia de la fuente Lσ y en la fuente durante la conmutación de losdiodos D1, D3 a D2, D4 es +I0 y llega a −I0 transcurrido el tiempo de conmutación. El interva-lo de conmutación comienza cuando cambia la polaridad de la fuente para t = T/2. Durante laconmutación la corriente en la fuente viene dada por la siguiente expresión:

i f (t) = 1ωeLσ

∫ωetπ

√2V sin(ωet)dωet + I0

i f (t) =√

2VωeLσ

(−cos(ωet)|ωet

π

)+ I0

i f (t) =−√

2VωeLσ

(1+ cos(ωet))+ I0

(12.3)

Evaluando la expresión 12.3 al finalizar el intervalo de conmutación (ωet = π + µ) y despejando elángulo de conmutación µ , se obtiene:


i f(tπ+µ

)=−I0 =−

√2V

ωeLσ(1+ cos(π + µ))+ I0

cos(π + µ) = 1− 2I0ωeLσ√2V

µ = arccos(

1− 2I0ωeLσ√2V

)= arccos

(1− 2I0Xσ√

2V

) (12.4)

Donde:

Xσ = ωeLσ

En esta condición de operación del puente rectificador, si evaluamos la tensión media sobre la cargase obtiene:

V0 = 1π

∫π

µ


V0 =√

2Vπ

(cos(µ)− cos(π))V0 =

√2Vπ

(1+ cos(µ))

(12.5)

Sustituyendo el resultado de la expresión 12.4 en la ecuación 12.5, se obtiene:

V0 =√

2Vπ

(2− 2I0Xσ√

2V

)V0 ≈ 0,9V − 2IoXσ

π

(12.6)

Por la tanto la inductancia de la fuente reduce la tensión media en la barra de corriente continua delpuente rectificador de onda completa.

12.3. Rectificador Trifásico

En la figura 12.4, se presenta el esquema del rectificador trifásico no controlado con inductancia enla fuente. Para el análisis del efecto de la inductancia de la fuente sobre el valor medio de la tensiónsobre la barra de corriente continua, supondremos que el cociente entre el valor medio y efectivode la corriente en la carga tiende a la unidad.

Figura 12.4: Esquema del puente rectificador trifásico no controlado con inductancia en la fuente

12.3. RECTIFICADOR TRIFÁSICO 223

12.3.1. Análisis del Proceso de Conmutación

Para el análisis del puente durante el proceso de conmutación supondremos que los diodos D1 yD4 se encuentran encendidos y se produce una conmutación o transición de corriente entre lascomponentes D1 y D3 en la mitad superior del puente. En la figura 12.5, se presenta el circuitoequivalente del puente rectificador cuando se produce la conmutación de los diodos D1 y D3.

Figura 12.5: Circuito equivalente del puente rectificador para la conmutación de los diodos D1 yD3

Durante la conmutación los diodos D1 y D3 se encuentran encendidos y sobre la inductancia Lσ dela fase aparece la siguiente diferencia de potencial:

vLσ=

vab(t)2

=√

2V2

sin(ωet) (12.7)

La corriente inicial durante la conmutación por la inductancia de la fuente (Lσ ) en la fase "a" en I0y esta disminuye a cero al finalizar el proceso de conmutación (tπ+µ ).

i fa(tπ+µ

)= 0 =

1ωeLσ

∫π+µ

π

√2V2

sin(ωet)dωet + I0 (12.8)

Despejando el ángulo de conmutación de la expresión 12.8, se obtiene:

µ = arccos(

1− 2ωeLσ Io√2V

)= arccos

(1− 2Xσ Io√

2V

)(12.9)

En al figura 12.6, se presenta el oscilo grama de tensión sobre la barra de corriente continua y lacorriente por los diodos D1 y D3 durante el proceso de conmutación.


Figura 12.6: Tensión en la barra de corriente continua y corriente por los diodos D1 y D3

La diferencia de potencial sobre la carga durante la conmutación de los diodos D1 y D3, tal comose observa en la figura 12.6 corresponde a:

vcarga(t) =vac(t)+ vbc(t)

2(12.10)

Calculando la tensión media de la carga a partir de la forma de onda de la figura 12.6 obtenemos:

V0 = 3√

2Vπ

(1− Xσ I0√

2V

)V0 ≈ 1,35V − 3Xσ I0

π

(12.11)

La caída de tensión producto de la inductancia de la fuente, en rectificadores monofásicos y trifási-cos en análoga si los puentes son controlados.

12.4. Sistema Alterno

El proceso de conmutación, producto de la inductancia de fuente se refleja en el lado de corrientecontinua como una caída de tensión sobre la carga DC, mientras que en el lado de corriente alternase ve como una caída de tensión en los bornes del rectificador, esta caída se denomina "Line Not-ching" o "Muesca" y es producto del cortocircuito transitorio en el sistema de corriente alterna através de los dispositivos semiconductores que están en proceso de conmutación. Este fenómenodistorsiona la tensión a la entrada del rectificador como podemos apreciar a continuación.

12.4. SISTEMA ALTERNO 225

12.4.1. Puente Trifásico Controlado

En la figura 12.7,se presenta la forma de onda de tensión en la carga y en bornes de entrada deun rectificador trifásico controlado para una carga activa de R = 60Ω, L = 223mH y E = 30V ,alimentada desde un sistema trifásico sinusoidal de secuencia positiva de tensión efectiva V = 416Va 60Hz. El ángulo de disparo del puente es de α = 40. La fuente trifásica se acopla al puentemediante línea resistiva inductiva de R f = 0,1Ω y L f = 1mH.

Figura 12.7: Tensión en la carga y bornes de un rectificador trifásico con fuente no ideal

En la figura 12.8, se muestra el detalle de la caída de tensión en bornes del rectificador y en la cargadebido al proceso de conmutación debido a la resistencia e inductancia de la fuente.


Figura 12.8: Tensión en la carga y bornes de un rectificador trifásico con fuente no ideal "detalle"

12.4.2. Puente Monofásico Controlado

En la figura 12.9,se presenta la forma de onda de tensión en la carga y en bornes de entrada de unrectificador monofásico controlado para una carga activa de R = 100Ω, L = 223mH y E = 30V ,alimentada desde un sistema monofásico sinusoidal da de tensión efectiva V = 120V a 60Hz. Elángulo de disparo del puente es de α = 30. La fuente se acopla al puente mediante línea resistivainductiva de R f = 0,1Ω y L f = 10mH.

12.4. SISTEMA ALTERNO 227

Figura 12.9: Tensión en la carga y bornes de un rectificador monofásico con fuente no ideal

En la figura 12.10, se muestra el detalle de la caída de tensión en bornes del rectificador y en lacarga debido al proceso de conmutación debido a la resistencia e inductancia de la fuente.

Figura 12.10: Tensión en la carga y bornes de un rectificador monofásico con fuente no ideal "de-talle"


12.5. Regulación Internacional

Las recomendaciones internacionales IEEE Std. 519, establece limitaciones sobre la profundidadde la muesca, el factor de distorsión armónica total de tensión (T HDV ) y el área de la muesca de latensión línea a línea en bornes de la barra de alimentación del rectificador, esto con la finalidad de noafectar a otros equipos conectados a la misma barra de alimentación. En la tabla 12.1, se presentanlos límites para sistemas de baja tensión (<600 V), en función del tipo de sistema alimentado.

Tabla 12.1: Límites de distorsión por muesca para sistemas de baja tensión

Aplicaciones Especiales 1 Sistemas en General Sistemas Dedicados2

Profundidad de la muesca 10% 20% 50%T HDV 3% 5% 10%

Área de la Muesca (AN) 16400V µs 22800V µs 36500V µs

Nota: para sistemas mayores de 480 V debe escalarse AN por el factorV

480

Para calcular la profundidad de la muesca (%pm) y su área (AN) se utiliza la siguiente referencia:

Figura 12.11: Definición de %pm y AN

Donde:

t Tiempo de duración de la muesca.

d Profundidad en el punto medio con respecto a la tensión sin la muesca.

V Tensión en el punto medio sin la muesca.


Para calcular la profundidad de la muesca y su área se utiliza las siguientes expresiones:

%pm =dV

100 (12.12)

AN = t d (12.13)

12.6. Simulación

En el algoritmo 14, se presenta el listado de Psipice para un puente rectificador trifásico controladocon resistencia e inductancia de fuente y carga activa.


Algoritmo 14 Rectificador trifásico controlado con carga activa e inductancia de fuente* Rectificador Trifásico Controlado********************* PARAMETROS DEL CIRCUITO ********************************.PARAM VRMS=416 ;TENSIÓN EFECTIVA DE LA FUENTE LINEA A LINEA.PARAM E=30 ;FUENTE DE CONTINUA.PARAM R=60 ;CARGA RESISTIVA.PARAM L=223mH ;CARGA INDUCTIVA.PARAM F=60 ;FRECUENCIA DE LA FUENTE.PARAM ALFA=40 ;ANGULO DE ENCENDIDO.PARAM LS=1MH ;INDUCTANCIA DE DISPERSION.PARAM RS=0.1 ;RESISTENACIA DE LA FUENTE.PARAM VMLN=VRMS*SQRT(2/3).PARAM DEL=1/(6*F).PARAM PW=1/(2.9*F) .PARAM PERIODO=1/F************************** FUENTES *******************************************VAN 1A 0 SIN(0 VMLN F)VBN 2A 0 SIN(0 VMLN F 0 0 -120VCN 3A 0 SIN(0 VMLN F 0 0 -240************************** INDUCTANCIA DE FUENTE *******************************LA 1A 1B LSRA 1B 1 RSLB 2A 2B LSRB 2B 2 RSLC 3A 3B LSRC 3B 3 RS************************** CIRCUITO *******************************************SW1 1 8 18 0 SMODD1 8 4 DMODSW2 5 11 21 0 SMODD2 11 2 DMODSW4 5 13 23 0 SMODD4 13 3 DMODSW3 2 10 20 0 SMODD3 10 4 DMODSW5 3 12 22 0 SMODD5 12 4 DMODSW6 5 9 19 0 SMODD6 9 1 DMOD************************** CARGA *******************************************R 4 4A RL 4A 4B LVDC 4B 5 E******************** CONTROL DE LOS INTERRUPTORES ***************************V1 18 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360 0 0 PW PERIODOV6 19 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360+3*DEL 0 0 PW PERIODOV3 20 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360+2*DEL 0 0 PW PERIODOV2 21 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360+5*DEL 0 0 PW PERIODOV5 22 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360+4*DEL 0 0 PW PERIODOV4 23 0 PULSE(-10 10 ALFA*PERIODO/360+1*DEL 0 0 PW PERIODO************************** MODELOS *******************************************.MODEL DMOD D .MODEL SMOD VSWITCH(RON=0.01)************************** ANALISIS *****************************************.TRAN .1MS 60MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(3) I(R).PROBE.PRINT TRAN V(4,5) I(R) I(D1) I(D6) V(1,2) I(VAN) ;salida a archivo

.END


Algoritmo 15 Rectificador monofásico controlado con carga activa e inductancia de fuente* Rectificador Monofásico Controlado********************* PARAMETROS DEL CIRCUITO ****************************.PARAM VRMS=120 ;TENSIÓN EFECTIVA DE LA FUENTE.PARAM ALFA=30 ;ÁNGULO DE DISPARO.PARAM R=100 ;CARGA RESISTIVA.PARAM L=223mH ;CARGA INDUCTIVA***************************************** FUENTE *************************VF 1A 0 SIN(0 SQRT(2)*VRMS F 0 0 ALFA)****************** INDUCTANCIA DE LA FUENTE ******************************LA 1A 1B LSRA 1B 1 RS****************** PUENTE ************************************************D1 1 10 DMODSW1 10 2 D12 0 SMODD2 0 11 DMOD ;SW2 11 2 D34 0 SMODD4 4 12 DMOD ;SW4 12 1 D34 0 SMODD3 4 13 DMODSW3 13 0 D12 0 SMOD******************** CARGA **********************************************R 2 3A RL 3A 3B LVDC 3B 4 E************************** MODELOS *************************************.MODEL DMOD D .MODEL SMOD VSWITCH (RON=.01)********************* CONTROL DE INTERRUPTORRES ************************VCONTROL D12 0 PULSE(-10 10 0 1US 1US .51/F 1/F) ;VCONTROL2 D34 0 PULSE(-10 10 .5/F 1US 1US .51/F 1/F) ;************************* ANALISIS *************************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(3) I(R).PROBE.PRINT TRAN V(2,4) I(R) I(D1) I(D2) V(1) ;salida a archivo

.END

En el algoritmo 15, se presenta el listado de Psipice para un puente rectificador monofásico contro-lado con resistencia e inductancia de fuente y carga activa.


Capítulo 13

Rectificador por Modulación de Ancho dePulso

En los últimos años, los puentes rectificadores con control por ancho de pulso (PWM), han sidointroducidos en los procesos de conversión de energía AC-DC. Estos puentes por su esquema deconmutación, no sólo permiten reducir la inyección de armónicos de baja frecuencias en el sistemade potencia, adicionalmente permite el control del factor de potencia consumido por el puente. Elesquema de control de los rectificadores PWM permite, regular la magnitud de la tensión en labarra de corriente continua.

Existen dos configuraciones de puente rectificador PWM, uno se realiza con un puente de diodos yun chopper en la barra de corriente continua y el otro se realiza con un puente inversor que alimentadirectamente la barra de corriente continua.

13.1. Rectificador PWM con Chopper

En la figura 13.1, se presenta el esquema del puente rectificador PWM con chopper en su configu-ración monofásica y trifásica.

Este puente permite regular la tensión de la barra de continua y el ángulo relativo entre la tensióny corriente de alimentación, mediante el control de apertura y cierre del transistor QBUS. En lafigura 13.2, se presenta el esquema de control del puente. En este esquema se compara la tensiónde la barra de corriente continua con la referencia deseada, el error se introduce en un controladorproporcional integral, la salida de este controlador se multiplica por el modulo de la tensión de lafuente, obteniendo la corriente de referencia de la inductancia L de la barra de continua (iLre f (t)).Al comparar la corriente iL(t) medida con la referencia se determina la secuencia de disparo deltransistor QBUS utilizando por ejemplo la modulación de delta de corriente. Este puente no permitedevolver energía a la red de alterna.

13.2. Rectificador PWM

El rectificador PWM, más utilizada es el que utiliza la topología del puente inversor con transisto-res, para realizar la operación de rectificación. En la figura 13.3, se presenta el esquema del puente

233

234 CAPÍTULO 13. RECTIFICADOR POR MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO

(a) Monofásico

(b) Trifásico

Figura 13.1: Rectificador PWM con chopper

Figura 13.2: Esquema de control del rectificador PWM con chopper

13.2. RECTIFICADOR PWM 235

(a) Monofásico

(b) Trifásico

Figura 13.3: Rectificador PWM

rectificador monofásico y trifásico. Note que de no existir orden de disparo de los transistores (Qi)el puente se comporta como un puente rectificador de diodos. Este puente a diferencia del anteriorpermite regenerar energía al lado de alterna.

El esquema de control del puente permite no solo controlar la tensión de establecimiento de la barrade continua, sino el factor de potencia a la entrada del puente, controlando el ángulo relativo entrela tensión y corriente. En la figura 13.4, se presenta el esquema de control del puente rectificadorPWM monofásico. En este esquema se compara la tensión de referencia de la barra de continuacon la medida en el capacitor CBUS, el error alimenta un controlador proporcional integral cuyasalida es multiplicada por la tensión de la fuente en por unidad (v f (t)), obteniendo la corriente dereferencia del sistema (i fre f (t)). Esta corriente de referencia es comparada con la medición realizadaen el circuito y con el error de esta comparación y utilizando la modulación de delta de corriente secalcula el vector de interrupciones del puente Sw.

El esquema de control del puente trifásico es similar al del monofásico si utilizamos los vectoresespaciales en vez de las magnitudes medidas. Recordemos que:

−→v f (t) =−→vrec(t)+Lσ

d−→i f (t)dt

(13.1)

Donde:


Figura 13.4: Esquema de control del rectificador PWM monofásico

−→i f (t) =

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

] ia(t)ib(t)ic(t)

−→vrec(t) =

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]SwVDC

El vector Sw representa el estado de los interruptores del puente trifásico y es de dimensión 3x1.En este vector el elemento "1" corresponde al encendido del interruptor superior, mientras que "0"indica el encendido del interruptor inferior de la misma rama. El vector espacial de tensiones delrectificador presenta solamente ocho posibles estados correspondientes a las combinaciones de losinterruptores. En la figura 13.5, se presenta el esquema de control del puente trifásico con vectoresespaciales.

Figura 13.5: Esquema de control del rectificador PWM trifásico

Utilizando la teoría de vectores espaciales para modificar la estrategia de control del puente rectifi-cador por ancho de pulso, es posible utilizar este puente como rectificador activo, controlar el factorde potencia en la barra donde esta conectado, regular la tensión de la barra de corriente continua,compensar los armónicos introducidos por otros puentes convertidores electrónicos conectados a lamisma barra de alimentación en corriente alterna y controlar el flujo instantáneo de potencia activay reactiva instantánea.

13.2. RECTIFICADOR PWM 237

En la figura 13.6, se presenta las formas de onda de tensión línea a línea y corriente en la fase “a”del sistema de potenacia que alimanta un rectificador por modulación de ancho de pulso con filtropasabajos (LC) en el lado de corriente continua. Adicionalmente en la figura 13.7, se presenta elcontenido armónico de estas formas de onda.La opración de este tipo de puente convertidor producearmónicas de corriente, de alto orden en el sistema de potencia que son rápidamente atenuadas poreste, a diferewncia de los rectificadores convencionales.

Figura 13.6: Forma de onda de tensión y corriente en el sistema que alimenta un rectificador trifá-sico por PWM

Figura 13.7: Contenido armónico de la tensión y corriente en el sistema que alimenta un rectificadortrifásico por PWM


Parte IV

Puentes Convertidores AC - AC

239

Capítulo 14

Controlador AC - AC


Los controladores AC-AC tiene como finalidad suministrar tensión y corriente alterna variablea partir de una fuente alterna. Su operación se basa en la conexión y desconexión a intervalosregulares de la fuente sobre la carga. Este convertidor esta conformado por dos semiconductoresde potencia colocados en antiparalelo que controlan la conexión de la fuente en cada semi ciclo.Por el tipo de componente de potencia que se utiliza en su construcción se clasifican en dos tipo:Controlado (SCR o TRIAC) y Semi controlado (SCR y Diodo). En la figura 14.1 se observa elesquema de un puente semi controlado y controlado monofásico.

(a) Puente semi controlado (b) Puente controlado

Figura 14.1: Controlador AC - AC

14.2. Aplicaciones

Hornos industriales.

Hornos de inducción.

Control de iluminación.

241

242 CAPÍTULO 14. CONTROLADOR AC - AC

Arranque y control de velocidad de motores de inducción.

Control de reactivos.

Relés de estado solido.

14.3. Puente Semi Controlado Monofásico

En la figura 14.2 se presenta el oscilo grama de corriente y tensión para un carga resistiva inductivaoriginado por un puente semi controlado. Para la simulación se utilizo una fuente sinusoidal de120V eficaz, a 60Hz, una carga resistiva inductiva de 60Ω y 223mH y un ángulo de disparo (α) deπ/2.

Figura 14.2: Formas de onda de corriente y tensión sobre la carga para el puente semi controlado

Se puede observar en la figura anterior que el puente posee control en el semi ciclo en el cual eltiristor conduce. En la figura 14.3 se presenta la corriente por el tiristor y el diodo que conformanel puente convertidor.

En la figura 14.3 se puede observar como la corriente en el diodo es mayor que en el tiristor, esteaspecto de debe tomar en cuenta al momento de especificar cada componente. Ambas componentesdurante su conducción son sometidas a tensiones positivas y negativas ánodo - cátodo. Entre lascaracterísticas de este puente se puede destacar que introduce componentes de tensión y corrientemedia sobre la carga y armónicas de baja frecuencia a la red de alimentación y la carga. En la figura14.4 se presenta los espectros armónicos de tensión y corriente originados por este puente.

14.3. PUENTE SEMI CONTROLADO MONOFÁSICO 243

Figura 14.3: Corriente por las componentes del puente semi controlado

Figura 14.4: Espectro armónico de corriente y tensión sobre la carga para el puente semi controlado

El factor de distorsión armónica (THD) para la simulación en tensión es: 0,4582 y en corriente:0,3265. La tensión efectiva para este ángulo de disparo es de: 108,1223V y la corriente efectiva es:1,0014A.

Este puente no se puede utilizar para el control de máquinas eléctricas debido a la componente decontinua en tensión ocasionaría la saturación del circuito magnético del convertidor electromagné-tico.


14.4. Puente Controlado Monofásico

Este puente se construye con dos tiristores en antiparalelo o un triac. La ventaja al utilizar un triaces que debido a que ambos tiristores se fabrican sobre la misma pastilla de silicio sus característicasson idénticas lo cual original que el control de los semi ciclos positivos y negativos sean idénticoseliminando cualquier componente de continua sobre la carga y fuente. Al utilizar dos tiritores enantiparalelo como sus características no son idénticas sobre la carga pueden aparecer pequeñasdiferencias en los semiciclos originando la aparición de una componente DC.

En la figura 14.5 se presenta el oscilo grama de corriente y tensión para un carga resistiva inductivaoriginado por un puente controlado. Para la simulación se utilizo una fuente sinusoidal de 120Veficases, a 60Hz, una carga resistiva inductiva de 60Ω y 223mH y un ángulo de disparo (α) de π/2.

Figura 14.5: Formas de onda de corriente y tensión sobre la carga para el puente controlado

Entre las características de este puente se puede destacar: los tiristores no conducen simultánea-mente, la tensión sobre la carga es la misma de la fuente cuando alguna de las dos componentes seencuentra en conducción y nula cuando están apagadas. La corriente y tensión media sobre la cargay fuente son nulas si la operación del puente es simétrica para ambos semi ciclos. En la figura 14.6se presenta la corriente por cada uno de los tiristores que componen el puente convertidor.

La corriente media sobre cada semiconductor no es nula debido a que su operación es unidireccio-nal y su corriente eficaz por la simetría, corresponde a 1/

√2 de la de la carga.

En la figura 14.7 se presenta el espectro armónico de tensión y corriente sobre la carga obtenida enla simulación. El factor de distorsión armónica (THD) para la simulación en tensión es: 0,7726 yen corriente: 0,2589. La tensión efectiva para este ángulo de disparo es de: 93,859V y la corrienteefectiva es: 0,7496A. Este puente para la misma carga y ángulo de disparo presenta mayor distorsiónarmónica que el semi controlado.

14.4. PUENTE CONTROLADO MONOFÁSICO 245

Figura 14.6: Corriente por las componetes del controlador AC-AC controlado

Figura 14.7: Espectro armónico de corriente y tensión sobre la carga para el puente controlado

14.4.1. Expresión de Corriente

Durante un semi ciclo de operación se puede evaluar la expresión de la corriente resolviendo laecuación diferencial:


v f (t) = Ri+Ldidt

(14.1)

Para una alimentación sinusoidal de la forma v f (t) =√

2Vrms sin(ωt) con condición inicial decorriente cero para el tiempo de encendido (α) la expresión 14.1 durante el semi ciclo positivo,resulta:

i(t) =√

2VZ

(sin(ωt−ϕ)− sin(α−ϕ)e

−(ωt−α)tan(ϕ)

)(14.2)

donde:

Z =√

R2 +(ωL)2

ϕ = tan−1(

ωLR

)La expresión 14.2 es válida para los tiempos comprendidos entre el ángulo de encendido (α) y elde apagado (β ) y es similar a la obtenida para un puente rectificador de media onda controlado.El semi ciclo negativo es simétrico por lo cual se puede utilizar la expresión anterior con signocontrario.

14.4.2. Ángulo de Apagado (β )

El ángulo de apagado para los tiristores corresponde al instante de tiempo en el cual la corrientepasa por cero. Este instante se calcula igualando la expresión 14.2 a cero.

√2VZ

(sin(β −ϕ)− sin(α−ϕ)e

−(β−α)tan(ϕ)

)= 0 (14.3)

La solución de la expresión 14.3 posee dos soluciones triviales (Z = ∞y V = 0)estas solucionesimplican uno la ausencia de carga conectada y la otro la no energización del circuito. Por lo cual lasolución se reduce a:

sin(β −ϕ)− sin(α−ϕ)e−(β−α)

tan(ϕ) = 0 (14.4)

La ecuación 14.4 no posee solución analítica debido a que es una ecuación transedental por cual sedebe resolver por métodos numéricos.

14.4. PUENTE CONTROLADO MONOFÁSICO 247

14.4.3. Límite de Controlabilidad

Se define limite de controlabilidad el rango de valores del ángulo de encendido (α) para los cualesse puede regular el valor de tensión efectiva aplicada sobre la carga. Como la operación de esteconvertidor electrónico se basa en la operación no simultánea de las componentes electrónicas,esto se alcanza al cumplir la condición:

α +π ≥ β (14.5)

Si evaluamos la condición límite de la expresión 14.5, es decir, β −α = π en la ecuación 14.4 seobtiene:

sin(β −ϕ)− sin(β −π−ϕ)e−(β−β+π)

tan(ϕ) = 0

sin(β −ϕ)[1+ e−

π

tan(ϕ)]

= 0(14.6)

Para que la expresión 14.6 sea igual ha cero se debe cumplir:

sin(β −ϕ) = 0β = π−ϕ ⇒ α = ϕ

(14.7)

El límite de controlabilidad del puente se obtiene para el rango de ángulo de encendidos compren-didos en el intervalo:

ϕ ≤ α ≤ π (14.8)


La tensión efectiva sobre la carga se calcula a partir de la definición y de la tensión de la fuentecomo:

Vrms = 1π

∫β

α

(√2V sin(ωt)

)2dωt

Vrms = V 2

π

∫β


Vrms = V√

1π

[γ− sin(2β )

2 + sin(2α)2

] (14.9)


La corriente efectiva por la carga y la fuente, se calcula utilizando la expresión 14.2 como:

Irms =

√1π

∫β

α

[√2VZ

(sin(ωt−ϕ)− sin(α−ϕ)e


)]2

dωt

Irms =√

2VZ

√1π

∫β

α

[(sin(ωt−ϕ)− sin(α−ϕ)e


)]2

dωt

(14.10)


La corriente efectiva por cada tiristor se obtiene por superposición como:

Irms =√

I2rmsT 1

+ I2rmsT 2

(14.11)

Como cada uno de los tiristores conduce en intervalos de tiempo iguales:

IrmsT 1 = IrmsT 2 =Irms√

2(14.12)

14.4.6. Configuraciones Adicionales

En la figura 14.8 se presentan dos configuraciones del puente controlador AC - AC controlado,para operaciones cuando la tensión de la fuente supera la especificación de los tiristores del puente.Generalmente estas configuraciones se utilizan cuando hay disponibilidad de componentes en elinventario de la empresa y no se desean adquirir nuevas componentes.

(a) Dos componentes serie (b) Tres componenetes serie

Figura 14.8: Configuraciones adicionales del controlador AC - AC monofásico.

14.5. Puente Controlado Trifásico

En la figura 14.9 se presenta el esquema de un puente controlador AC - AC trifásico para cargaconectada en estrella y en delta.

La operación del puente trifásico depende de la estrategia de disparo de las componentes semiconductoras y se puede realizar con dos componentes conduciendo corriente positiva y una negativao viceversa. En la figura 14.10 se muestra las formas de onda de corriente en la fase "a" y tensiónlínea línea "ab" para una carga resistiva inductiva (RL) conectada en estrella con los siguientesparámetros: tensión efectiva línea - línea de 416V a 60Hz, resistencia de 10Ω e inductancia de30mH y un ángulo de encendido de 1,3963rad.

14.5. PUENTE CONTROLADO TRIFÁSICO 249

(a) Carga en estrella

(b) Carga en delta

Figura 14.9: Esquema del puente controlador AC - AC trifásico


Figura 14.10: Formas de onda de corriente y tensión sobre la carga para el puente trifásico

En la figura 14.11 se presenta la corriente por los dos tiristores que componen el puente en la fase"a". Al igual que en el caso monofásico la corriente en régimen permanente es simétrica en el semiciclo positivo y negativo.

Figura 14.11: Corriente en las componentes de la fase "a"

En la figura 14.12 se presenta el espectro armónico de tensión y corriente sobre la carga obtenida enla simulación. El factor de distorsión armónica (THD) para la simulación en tensión es: 0,7202 y en

14.5. PUENTE CONTROLADO TRIFÁSICO 251

Figura 14.12: Contenido armónico de la corrinte y tensión para el puente trifásico

corriente: 0,1580. La tensión efectiva para este ángulo de disparo es de: 322,5936V y la corrienteefectiva es: 10,0788A.

Otra configuración utilizada de los puentes de la figura 14.9 (a), en donde el punte se utilza parainterconectar la fuente con la carga es el presentado en la figura en donde el convertidor se utilizapara realizar la conexión del neutro en la carga.

Figura 14.13: Puente convertidor trifásico para conexión de neutro.


Figura 14.14: Puente controlador AC-AC trifásico en delta (carga y convertidor)

Figura 14.15: Puente controlador AC-AC trifásico en delta (convertidor)

14.5.1. Configuraciones en Delta

En la sección anterior se presento el controlador AC - AC como interconexión entre la fuente y lacarga, esta configuración permite controlar la tensión efectiva sobre cargas conectadas en estrella(figura 14.9 (a)) o delta (figura 14.9 (b)). Cuando se dispone de acceso a los seis terminales queconforman la carga, se puede conectar esta en serie con el convertidor de potencia y conformaruna delta con esta configuración. En la figura se presenta el esquema de conexión propuesto. Esteesquema presenta por cada rama un comportamiento similar al puente monofásico tanto a nivel detensiones como corrientes y el control de cada rama se desfaza de la anterior en 2π/3.

Otro esquema utilizado para configuraciones en delta se presenta en la figura 14.15, esta configura-ción permite utilizar la mitad de las componentes que el puente anterior, y alterna la conección dela fuente línea a línea con dos ramas de la delta en serie.

14.6. CONTROLADOR POR MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO 253

14.6. Controlador por Modulación de Ancho de Pulso

Los esquemas tradicionales de puentes controladores AC - AC construidos con tiristores y triacs,permiten regular el valor efectivo de tensión suministrado en la carga cortocircuitos en intervalosregulares en función del ángulo de disparo (α). Esta estrategia introduce un alto contenido armónicoa la red de alimentación como observamos en la secciones pasadas, para las simulaciones realizadasa nivel de puentes monofásicos el factor de distorsión armónica (THD) esta alrededor del 77% paraun puente controlado. Adicionalmente las armónicas introducidas en la red, de mayor valor, soninferiores a la décimo tercera armónica (13va), estas frecuencias poseen una alta probabilidad deresonancia con compensadores de reactivos pasivos instalados en el sistema o con configuraciones"LC" de los cables o líneas de transmisión.

Un esquema capaz de reducir el valor de las armónicas con mayor probabilidad de resonancia esdistribuir el cortocircuito de la carga en el tiempo a través de técnicas de modulación. La técnicade modulación más utilizada para este fin, es la de control por ancho de pulso (PWM). Esta estra-tegia garantiza reducir el valor de las armónica de baja frecuencia en función al número de pulsosempleados en la moduación. Este esquema adicional a la fundamental, introduce mayoritariamentearmónicas de altas frecuencias las cuales son rápidamente atenuadas por el sistema.

En la figura 14.16 se presenta el esquema del puente controlador AC - AC por modulación deancho de pulso. Este puente esta compuesto por componentes bidireccionales de corriente queoperan negados entre si, una para la conexión de la carga a la fuente y la otra para el cortocircuito.

Figura 14.16: Puente controlador AC-AC con control por PWM

En la figura 14.17 se presenta las gráficas de corriente y tensión para un controlador AC - ACcontrolado por PWM para una carga resistiva e inductiva de 60Ωy 223mH, alimentada desde unsistema sinusoidal de tensión de 120V efectivos a una frecuencia de 60Hz. Para la modulación seutilizo una frecuencia de portadora de 12 veces la fundamental (720Hz) con un tiempo de subidadel 60%.


Figura 14.17: Corriente y tensión en la carga para un controlador AC-AC por PWM

En la figura 14.18 se presenta el espectro armónico de tensión y corriente sobre la carga obtenidaen la simulación. El factor de distorsión armónica (THD) para la simulación en tensión es: 0,8165 yen corriente: 0,084. La tensión efectiva para esta condición es de: 92,9516V y la corriente efectivaes: 0,7103A. Si comparamos estos resultados al espectro armónico obtenido en la figura 14.7 sepuede observar un menor contenido armónico en las corrientes de la carga, evidenciado por unmenor THD y un menor contenido armónico en tensión para las armónicas inferiores a la décimotercera sin incluir la fundamental. Adicionalmente, en la figura 14.19 se presenta la corriente en losinterruptores bidireccionales que conforman el puente.

14.7. COMPENSADOR ESTÁTICO DE REACTIVOS 255

Figura 14.18: Contenido armónico de corrientes y tensiones para el controlador AC - AC por PWM

Figura 14.19: Corrientes por las componentes del controlador AC-AC por PWM

14.7. Compensador Estático de Reactivos

En la figura 14.20 se presenta el esquema de un compensador estático de reactivos, este puente estaconformado por un condensador en paralelo a un controlador AC - AC que alimenta a un inductor,la potencia reactiva entregada a la barra por el compensador se puede calcular como:


Qneta = Qinductor−Qcapacitor

Qneta = V 2L

ωL −V 2barraωC

(14.13)

La tensión efectiva (VL) sobre el inductor se puede calcular a partir de la expresión 14.9 con unángulo de apagado de 2π−α como:

VL = V

√[2− 2α

π

](14.14)

Figura 14.20: Esquema del compensador estático de reactivos


14.8. Simulación

14.8.1. Puentes monofásicos

14.8.1.1. Semi Controlado

Para simular el puente convertidor de la figura 14.1 (a) se utilizo Psipice modelando el tiristorcomo un interruptor controlado por tensión en serie con un diodo. En el algoritmo 16 se presentael programa utilizado para la simulación.

Algoritmo 16 Puente convertidor AC-AC semi controlado* Controlador AC - AC SEMI Controlado********************* Parámetros de Circuito *********************.PARAM VRMS=120 ;Tensión efectiva de la fuente.PARAM ALFA=90 ;Ángulo de disparo.PARAM R=60 ;Carga resitiva.PARAM L=223mH ;Carga inductiva.PARAM F=60 ;Frecuencia de la fuente.PARAM TALFA=ALFA/(360*F) PW=0.5/F;Ángulo de encendido como retardo de tiempo************************** Fuente *********************************VF 1 0 SIN(0 SQRT(2)*VRMS F)************************** Puente *********************************SW1 1 2 11 0 SMOD D1 2 3 DMOD ;TiristorD2 3 1 DMOD ;Diodo************************** Carga **********************************R 3 4 RL 4 0 L************************** Modelos ********************************.MODEL DMOD D.MODEL SMOD VSWITCH (RON=.01)********************** Control de Interruptores *******************VCONTROL 11 0 PULSE(-10 10 TALFA 0 0 PW 1/F)************************** Análisis *******************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(3) I(R).PROBE.PRINT TRAN V(3) I(R) I(D1) I(D2) V(1)

.END

14.8.1.2. Controlado

Para simular el puente de la figura 14.1 (b) se utilzo Pspice modelando los tiristores como inte-rruptores ideales controlados por tensión en serie con diodos. En el algoritmo 17 se presenta elprograma de Pspice utilzado.


Algoritmo 17 Puente convertidor AC-AC controlado* Controlador AC - AC Controlado********************* Parámetros del Circuito *************************.PARAM VRMS=120 ;Tensión efectiva de la fuente.PARAM ALFA=90 ;Ángulo de disparo.PARAM R=60 ;Carga resistiva.PARAM L=223mH ;Carga inductiva.PARAM F=60 ;Frecuencia de la fuente.PARAM TALFA=ALFA/(360*F) PW=0.5/F ;Ángulo de encendido como retardo de tiempo************************** Fuente ***********************************VF 1 0 SIN(0 SQRT(2)*VRMS F)************************** Puente ***********************************SW1 1 2 11 0 SMOD D1 2 3 DMOD ;Tiristor 1SW2 3 5 0 11 SMOD D2 5 1 DMOD ;Tiristor 2************************** Carga ************************************R 3 4 RL 4 0 L************************** Modelos ************************************.MODEL DMOD D.MODEL SMOD VSWITCH (RON=.01)************************** Control Inerruptores ***********************VCONTROL 11 0 PULSE(-10 10 TALFA 0 0 PW 1/F)************************** Análisis ***********************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.FOUR 60 V(3) I(R).PROBE.PRINT TRAN V(3) I(R) I(D1) I(D2) V(1)

.END

Para el cálculo del ángulo de apagado, tensión efectiva y corriente efectiva para una carga resitivainductiva, alimentada por una funte sinusoidal, se puede utilizar el algoritmo 18 para Matlab oOctave:


Algoritmo 18 Cálculo de puente convertidor AC-AC controlado% Programa Principalglobal fi potencia alfa% ************* Cálculo de Puente Controlador AC-AC **********% *************** Variables ***********************************V=input('Tensión efectiva de la fuente ');R=input('Carga Resistiva ');L=input('Carga Inductiva ');f=input('Frecuencia ');alfa=input('Angulo de disparo en grados ');% ************** Cálculo **************************************alfa=alfa*pi/180; % Conversión a radZ=sqrt(R^2+(2*pi*f*L)^2); % Impedanciafi=atan((2*pi*f*L)/R); % Ángulo de la Impedancia% ************* Ángulo de apagado *****************************potencia=1;%beta=fsolve('ecuacion',[4],optimset('Display','off')); % Intrucción Matlabbeta=fsolve('ecuacion',[4]); % Intrucción OctaveBeta=beta*180/pi % Ángulo de apagado en grados% ************ Tensión y Corriente Efectiva **********************% Tensión Efectiva de la CargaVrms= V*sqrt(1/pi*(beta-alfa-(sin(2*beta))/2+(sin(2*alfa))/2))% Corriente Efectiva de la Carga.potencia=2;Irms=sqrt(2)*V/Z*(sqrt(1/(pi)*(quad('ecuacion',alfa,beta))))% Función "ecuacion.m"function F=ecuacion(x)global fi potencia alfa% Ecuación de corrienteF=(sin(x-fi)-sin(alfa-fi)*exp(-(x-alfa)/tan(fi))).^potencia;

14.8.2. Control de Ancho de Pulso

Para la simulación del puente controlador AC - AC con control por modulación de ancho de pul-so monofásico, para carga resistiva e inductiva se utilizo el sigueinte algoritmo implementado enMatlab:


Algoritmo 19 Modelo puente controlador AC-AC por PWM% Programa Principalglobal V f fp Duty R L% Controlador AC-AC por PWM% VariablesV=input('Tensión efectiva de la fuente ');R=input('Carga Resistiva ');L=input('Carga Inductiva ');f=input('Frecuencia de la fuente ');Duty=input('Porcentaje del Duty Cicle ');fp=input('Múltiplo de la fundamental para la frecuencia de la portadora ');fp=fp*f; % Frecuencia de la portadoraT=1/f; % Periodo de la fuente% Cálculo de la corrientey0=0; % Condición Inicial[T,X]=ode1('corriente',0,10*T,y0,T/100); % Corriente en la Cargaonda=((square(2*pi*fp*T,Duty)+1)/2).*sqrt(2)*V*sin(2*pi*f*T); % Tensión sobrela Carga% Cálculo de ArmónicosDeltat=T(2)-T(1);largo=length(T);Np=100;carga=[X,onda];a=carga(largo-Np+1:largo,:);a1=fft(a(:,1))*2/(Np);a2=fft(a(:,2))*2/(Np);a1(1)=a1(1)/2; a2(1)=a2(1)/2;% Cálculo de Distorsión armónicanp=floor(Np/2);Vrms=sqrt((sum((abs(a2(2:np))/sqrt(2)).^2))+abs(a2(1))^2)THDv= sqrt(Vrms^2-(abs(a2(2))/sqrt(2))^2)/(abs(a2(2))/sqrt(2))Irms=sqrt((sum((abs(a1(2:np))/sqrt(2)).^2))+abs(a1(1))^2)THDi= sqrt(Irms^2-(abs(a1(2))/sqrt(2))^2)/(abs(a1(2))/sqrt(2))% Corriente por los interruptoresis1=X.*PWM;is2=X.*-(PWM-1);% Función "corriente.m"function px=corriente(t,x)global V f fp Duty R Li=x;Vf=sqrt(2)*V*sin(2*pi*f*t); % Tensión de la fuentePWM=(square(2*pi*fp*t,Duty)+1)/2; % Modulación PWMonda=PWM.*Vf; % Tensión sobre la Cargapx=(onda-R*i)/L; % Derivada de la corriente en la Carga

En el algoirtmo 20 se presenta la rutina de integración numérica a paso fijo (ODE).


Algoritmo 20 Función de integraciónfunction [tout, yout] = ode(ypfun, t0, tfinal, y0, paso)t = t0;hmax = (tfinal - t)/paso;h = paso; y = y0(:);chunk = round(hmax);tout = zeros(chunk,1);yout = zeros(chunk,length(y));k = 1; tout(k) = t;yout(k,:) = y.';while (t <tfinal) % Compute the slopess1 = feval(ypfun, t, y);s1 = s1(:);t = t + h;y=y+h*s1;k = k+1;if k >length(tout)tout = [tout; zeros(chunk,1)];yout = [yout; zeros(chunk,length(y))];endtout(k) = t;yout(k,:) = y.';tout = tout(1:k);yout = yout(1:k,:);end

Para calcular la tensión efectiva y distorsión armónica total sobre la carga, para un frecuencia deportadora determinada con un tiempo se subida especifico se puede utilzar el algoritmo 21 paraMatlab:


Algoritmo 21 Cálculo de tensión efectiva y THD para el controlador AC-AC por PWM% Controlador AC-AC por PWM Evaluación de Tensión Efectiva% VariablesV=input('Tensión efectiva de la fuente ');f=input('Frecuencia de la fuente ');Duty=input('Porcentaje del Subida ');fp=input('Múltiplo de la fundamental de la portadora ');fp=fp*f;T=1/f;t=0:T/100:T;Vf=sqrt(2)*V*sin(2*pi*f*t); % Tensión de la fuentePWM=(square(2*pi*fp*t,Duty)+1)/2; % Modulaciónonda=PWM.*Vf; % Tensión de la cargafigure(1)plot(t,Vf,t,onda,'r');grid% Contenido ArmónicoNp=length(onda);a=fft(onda)*2/Np; a(1)=a(1)/2;figure(2)bar((0:49),abs(a(1:50))./abs(a(2))); grid;axis([-1 50 0 1.2]);xlabel('Armónica de la fundamental')ylabel('p.u. fundamental')legend('Contenido Armónico de Tensión')np=floor(Np/2);Vrms=sqrt((sum((abs(a(2:np))/sqrt(2)).^2))+abs(a(1))^2)THDv= sqrt(Vrms^2-(abs(a(2))/sqrt(2))^2)/(abs(a(2))/sqrt(2))

14.8.3. Puente Trifásico

En el algoritmo 22 se presenta el listado del programa de Pspice para la simulación del puentecontrolador AC -AC trifásico con carga resistiva inductiva conectada en estrella de la figura 14.9(a).


Algoritmo 22 Convertidor AC-AC trifásico controlado* Controlador AC - AC TRIFÁSICO********************* Parámetros del Circuito *********************.PARAM VRMS=416 ;Tensión efectiva de la fuente línea a línea.PARAM ALFA=80 ;Ángulo de disparo.PARAM R=10 ;Carga resistiva.PARAM L=30mH ;Carga inductiva.PARAM F=60 ;Frecuencia de la fuente**************** Parámetros de la Simulación **********************.PARAM V=SQRT(2)*VRMS/SQRT(3) ;Tensión pico fase neutro.PARAM DELAY=1/(6*F) ;Intervalo de conmutación.PARAM PW=.5/F TALFA=ALFA/(360*F).PARAM TRF=10US ;Control de los tiempos de subida y bajada******************** Fuente de Alimentación ***********************VAN 1 0 SIN(0 V 60)VBN 2 0 SIN(0 V 60 0 0 -120)VCN 3 0 SIN(0 V 60 0 0 -240)******************* Puente ***************************************SW1 1 8 18 0 SMOD ;FASE AD1 8 4 DMODSW4 4 9 19 0 SMODD4 9 1 DMODSW3 2 10 20 0 SMOD ;FASE BD3 10 5 DMODSW6 5 11 21 0 SMODD6 11 2 DMODSW5 3 12 22 0 SMOD ;FASE CD5 12 6 DMODSW2 6 13 23 0 SMODD2 13 3 DMOD************************** Carga **********************************RA 4 4A R ;FASE ALA 4A 7 LRB 5 5A R ;FASE BLB 5A 7 LRC 6 6A R ;FASE CLC 6A 7 L************************* Control ********************************V1 18 0 PULSE(-10 10 TALFA TRF TRF PW 1/F)V4 19 0 PULSE(-10 10 TALFA+3*DELAY TRF TRF PW 1/F)V3 20 0 PULSE(-10 10 TALFA+2*DELAY TRF TRF PW 1/F)V6 21 0 PULSE(-10 10 TALFA+5*DELAY TRF TRF PW 1/F)V5 22 0 PULSE(-10 10 TALFA+4*DELAY TRF TRF PW 1/F)V2 23 0 PULSE(-10 10 TALFA+1*DELAY TRF TRF PW 1/F)************************** Modelo ********************************.MODEL DMOD D .MODEL SMOD VSWITCH (RON=.01)************************** Análisis ******************************.TRAN .1MS 150MS 0 .1MS UIC.PROBE.PRINT TRAN V(4,5) I(RA) I(RB) I(RC) I(D1) I(D4) V(1,2) V(4,7);

.END


Parte V

Puentes Convertidores DC -DC

265

Capítulo 15

Controlador DC - DC


Los controladores DC - DC tiene como finalidad suministrar tensión y corriente continua variablea partir de una fuente de corriente continua. En la literatura a estos convertidores estáticos se lesconoce como: "Chopper" o "Trocesadores". Su principio de funcionamiento se basa en una ope-ración periódica, en donde se suministrar tensión de la fuente a la carga durante un tiempo (ton) yposteriormente se aplica un cortocircuito sobre esta, el resto del período (T ). Para la construcciónde un chopper, se requieren componentes con control de encendido y apagado. En muchas oportu-nidades se han utilizado tiristores con circuitos auxiliares de apagado. En la figura 15.1 se ilustra elprincipio de funcionamiento, presentando la tensión sobre la carga.

La tensión media sobre la carga se puede calcular a partir de la definición como:

V0 = 1T∫ ton

0 VDCdtV0 = VDC

tonT

(15.1)

Se define como razón de conducción del chopper (δ ) al término:

δ =ton

T(15.2)

Sustituyendo la definición de la ecuación 15.2 en la expresión 15.1, se obtiene la tensión mediasobre la carga en función de la razón de conducción.

V0 = VDCδ (15.3)

donde:

0≤ δ ≤ 1

En la figura 15.1, se presenta la tensión media sobre la carga. Para este caso corresponde al 60%dela fuente, es decir, δ = 0,6.

267

268 CAPÍTULO 15. CONTROLADOR DC - DC

Figura 15.1: Tensión sobre la carga de un controlador DC - DC

15.2. Aplicaciones

Control de motores de corriente continua.

Fuentes de poder DC.

Tracción de vehículos eléctricos.

Frenado eléctrico.

15.3. Tipos de Convertidores DC - DC

En esta sección detallaremos los esquemas de las distintas configuraciones de los chopper másutilizadas en la industria. La componente con control de encendido y apagado se denotara con elsímbolo de un tiristor circunscrito en un circulo, esta componente puede ser: un tiristor con circuitode apagado, un tiristor autodesactivable o un transistor. En los esquemas se denotara el sentido decirculación de la corriente por la carga y la tensión sobre esta.

15.3.1. Chopper Reductor o Tipo "A"

En la figura 15.2, se presenta el esquema de un chopper reductor o tipo "A". En este esquema lacorriente por la carga sólo puede ser positiva al igual que la tensión, debido a la disposición delas dos componentes de potencia. Su principal aplicación como su nombre lo indica es suministrartensión continua variable desde cero hasta el valor de la fuente. En este puente la componente con

15.3. TIPOS DE CONVERTIDORES DC - DC 269

control se utiliza para suministrar tensión a la carga mientras que el diodo de descarga libre originael cortocircuito necesario para regular la tensión.

Figura 15.2: Chopper tipo "A"

15.3.2. Chopper Elevador o Tipo "B"

En la figura 15.3, se presenta el esquema de un chopper elevador o tipo "B". En este esquema,la componente principal coloca la carga en cortocircuito, estableciendo una corriente en sentidocontrario al indicado en la figura. Al apagarse la componente principal la inductancia de la carga seopondrá al cambio brusco de corriente manteniendo el sentido de circulación de esta, de la carga ala fuente. Este puente requiere para su funcionamiento que la carga sea activa, es decir, que poseafuente de tensión y que posea una componente de inductancia. La fuente de la carga es inferior a lade la fuente, de hay el nombre de chopper elevador. Su principal aplicación es frenado regenerativo.

Figura 15.3: Chopper tipo "B"

15.3.3. Chopper Tipo "C"

En la figura 15.4, se presenta el esquema del chopper tipo "C", este puente combina a los dos ante-riores en un solo convertidor. Permite tanto la operación de reducción como elevación de tensión,su funcionamiento tiene las mismas restricciones que el chopper elevador. Su principal aplicaciónes en tracción de vehículos eléctricos tanto en las operación de aceleración como de frenado. Estepuente se utiliza en el Metro de Caracas para el control de las armaduras de los motores de corrientecontinua, utilizados en tracción y frenado de los vagones.


Figura 15.4: Chopper tipo "C"

15.3.4. Chopper Tipo "D"

En la figura 15.5, se presenta el esquema de un chopper tipo "D". Este puente suministra tensiónpositiva cuando las componentes con control están conduciendo y tensión negativa cuando estánapagadas. La corriente en la carga sólo puede ser positiva por la disposicion de las componentes depotencia.

Figura 15.5: Chopper tipo "D"

15.3.5. Chopper Tipo "E"

En la figura 15.6, se presenta el esquema del chopper tipo "E", a esta configuración también se leconoce en la literatura como inversor o puente "H". Este esquema se obtiene de la superposiciónde de dos chopper tipo "D" en contra fase. Esta estructura, le da la posibilidad de suministrartensión y corriente positiva y negativa a la carga. Su principal aplicación adicional a la de inversor(suministrar tensión AC a partir de una fuente DC) es la del control de los campos de motores decorriente continua para vehículo eléctricos, este puente permite invertir el sentido de circulación de

15.3. TIPOS DE CONVERTIDORES DC - DC 271

la corriente en el devanado lo que ocasiona la inversión del sentido de giro del motor. En el casodel Metro de Caracas esto permite invertir el sentido de circulación de tren sin girar los vagones.

Figura 15.6: Chopper tipo "E"

15.3.6. Chopper a Transistores

En la figura 15.7, se presenta el esquema de un chopper reductor con transistores el principio defuncionamiento es el mismo que el del chopper tipo "A".

Figura 15.7: Chopper a transistores


15.4. Análisis del Chopper Reductor

En la figura 15.8, se presenta el esquema de un chopper reductor con carga resistiva inductiva yfuente de tensión.

Figura 15.8: Chopper reductor

Dependiendo de los valores de resistencia, inductancia y fuente de tensión (E) el puente puedepresentar dos condiciones de operación diferentes. La primera denominada "Condición No Con-tinuada" la corriente pasa por cero durante el tiempo que no conduce la componente principal,apagando el diodo de descarga libre. La segunda denominada "Condición Continuada" la corrienteno pasa por cero y se establece un régimen permanente que satisface:

i(t) = i(t +T ) (15.4)

En la figura 15.9, se presenta la forma de onda de corriente y tensión para la carga en condiciónno continuada de corriente para una carga de 60Ω, 20mH y 50V , alimentada desde una fuente decorriente continua de 100V con una razón de conducción de 0,6. El chopper opera a una frecuenciade 1kHz. En esta figura se puede destacar que la corriente es periódica para todos los ciclos deoperación. La corriente pasa naturalmente por cero en un tiempo igual a tβ = 0,8mseg.

La corriente en cada una de las componentes que conforman este puente, en la condición no conti-nuada de corriente se presenta en la figura 15.10.

15.4. ANÁLISIS DEL CHOPPER REDUCTOR 273

Figura 15.9: Corriente y tensión en la carga para un chopper reductor en condición no continuadade corriente

Figura 15.10: Corrientes en las componentes del chopper reductor en condición no continuada decorriente

En la figura 15.11, se presenta la forma de onda de corriente y tensión para la carga en condicióncontinuada de corriente para una carga de 60Ω, 200mH y 40V , alimentada desde una fuente decorriente continua de 100V con una razón de conducción de 0,6. El chopper opera a una frecuenciade 1kHz. En esta figura se puede destacar que la corriente presenta una estabilización desde cerohasta su régimen permanente.


Figura 15.11: corriente y tensión en la carga para un chopper reductor en condición continuada decorriente

En la figura 15.12, se presenta la corriente por la componente principal y el diodo de descarga librepara la condición continuada de corriente de la figura 15.11.

Figura 15.12: Corriente en las componentes del chopper reductor en condición continuada decorriente


15.4.1. Expresión de Corriente Condición No Continuada.

Si analizamos la expresión de corriente para la condición no continuada de corriente que observa-mos en la figura 15.9, tenemos que analizar por un lado el circuito cuando la componente principalesta conduciendo (0 ≤ t ≤ ton) y por el otro el circuito cuando conduce el diodo de descarga libre(ton ≤ t ≤ tβ ).

15.4.1.1. Corriente para 0≤ t ≤ ton

La ecuación diferencial del circuito en esta condición es:

VDC = Ri+Ldidt

+E (15.5)

La corriente para este intervalo de tiempo viene dado por la solución de la ecuación diferencial15.5, con condición inicial i(0) = 0.

i(t) =VDC−E

R

[1− e

−tτ

](15.6)

donde:

τ =LR

Para evaluar la operación del diodo de descarga libre es necesario conocer la condición final decorriente en el extremo de este intervalo (i(ton)) que es la condición inicial de corriente para eldiodo.

i(ton) = Ia =VDC−E

R

[1− e

−tonτ

](15.7)

15.4.1.2. Corriente para ton ≤ t ≤ tβ

La ecuación diferencial del circuito en esta condición es:

0 = Ri+Ldidt

+E (15.8)

La corriente para este intervalo de tiempo viene dado por la solución de la ecuación diferencial15.8, con condición inicial de la expresión 15.7 (i(ton) = Ia).

i(t) =−ER

[1− e−

(t−ton)τ

]+ Iae−

(t−ton)τ

i(t) =−ER

[1− e−

(t−ton)τ

]+ VDC−E

R

[1− e

−tonτ

]e−

(t−ton)τ

(15.9)

Para evaluar el tiempo (tβ ) en el cual la corriente pasa por cero se iguala a cero la expresión 15.9 yse despeja el tiempo.


tβ = τ ln[

etonτ

(1+

VDC−EE

(1− e−

tonτ

))](15.10)


Para calcular la tensión media sobre la carga se aplica la definición en la forma de onda de tensiónde la figura 15.9.

V0 = 1T

[∫ ton0 VDCdt +

∫ Ttβ

Edt]

V0 = VDCtonT +E (T−tβ)

T

V0 = VDCδ +E(

1− tβT

) (15.11)

15.4.2. Expresión de Corriente Condición Continuada.

Si analizamos la expresión de corriente para la condición continuada de corriente que observamosen la figura 15.11, tenemos que analizar por un lado el circuito cuando la componente principalesta conduciendo (0 ≤ t ≤ ton) y por el otro el circuito cuando conduce el diodo de descarga libre(ton ≤ t ≤ T ).

15.4.2.1. Primer ciclo de operación

Corriente para 0≤ t ≤ ton

La ecuación diferencial del circuito cuando conduce la componente principal viene dada por laexpresión 15.5 al igual que en la condición anterior. Con la condición inicial (i(0) = 0), la corrienteen este intervalo viene dada por la expresión 15.6.

i(t) =VDC−E

R

(1− e−

tτ

)(15.12)

Donde τ corresponde a la constante de tiempo del circuito.

Para evaluar la operación del diodo de descarga libre es necesario calcular la condición final decorriente (i(ton)) de este circuito que corresponde a la condición inicial de corriente del próximointervalo.

i(ton) = Ia =VDC−E

R

[1− e−

tonτ

](15.13)


Corriente para ton ≤ t ≤ T

La ecuación diferencial del circuito cuando conduce la componente principal viene dada por la ex-presión 15.8 al igual que en la condición anterior. Con la condición inicial (i(ton) = Ia), la corrienteen este intervalo viene dada por la expresión 15.9.

i(t) =−ER

[1− e−

(t−ton)τ

]+ Iae−

(t−ton)τ (15.14)


Para evaluar el próximo ciclo de operación es necesario evaluar la condición final de la corrientede la expresión 15.14, en t = T .

i(T ) = Ib =−ER

[1− e−

(T−ton)τ

]+ Iae−

(T−ton)τ (15.15)

15.4.2.2. Segundo ciclo de operación

Como la función es periódica para comodidad del análisis se redefinará el eje del tiempo a t = 0para el segundo ciclo de operación del puente


La ecuación diferencial del circuito cuando conduce la componente principal viene dada por laexpresión 15.5 al igual que en la condición anterior. Con la condición inicial (i(0) = Ib), la corrienteen este intervalo viene dada por la expresión:

i(t) =VDC−E

R

(1− e−

tτ

)+ Ibe−

tτ (15.16)


Para evaluar la operación del diodo de descarga libre es necesario calcular la condición final decorriente (i(ton)) de este circuito que corresponde a la condición inicial de corriente del próximointervalo.

i(ton) = I1 =VDC−E

R

[1− e−

tonτ

]+ Ibe−

tonτ (15.17)


La ecuación diferencial del circuito cuando conduce la componente principal viene dada por la ex-presión 15.8 al igual que en la condición anterior. Con la condición inicial (i(ton) = I1), la corrienteen este intervalo viene dada por la expresión 15.17.

i(t) =−ER

[1− e−

(t−ton)τ

]+ I1e−

(t−ton)τ (15.18)



Para evaluar el próximo ciclo de operación es necesario evaluar la condición final de la corrientede la expresión 15.18, en t = T .

i(T ) = I2 =−ER

[1− e−

(T−ton)τ

]+ I1e−

(T−ton)τ (15.19)

15.4.2.3. Régimen Permanente

Se puede seguir evaluando ciclos de operación como en la sección 1.4.2.2 hasta alcanzar la con-dición de régimen permanente dado por la expresión 15.4. Otra manera, es utilizar la condiciónde la expresión 15.4 en las ecuaciones 15.17 y 15.19 para obtener los valores de la corriente ent = ton(Imax)y t = T (Imin) en régimen permanente. De la condición de régimen permanente seobtiene:

i(0) = i(T ) = Imin (15.20)

i(ton) = Imax (15.21)

Sustituyendo las expresiones 15.20 y 15.21 en las expresiones 15.17 y 15.19, se obtiene:

Imax =VDC−E

R

[1− e−

tonτ

]+ Imine−

tonτ (15.22)

Imin =−ER

[1− e−

(T−ton)τ

]+ Imaxe−

(T−ton)τ (15.23)


Imax = VDC−ER

[1− e−

tonτ

]+[−E

R

[1− e−

(T−ton)τ

]+ Imaxe−

(T−ton)τ

]e−

tonτ

Imax = VDC−ER

[1− e−

tonτ

]+ E

R e−Tτ − E

R e−tonτ + Imaxe−

Tτ

Imax

[1− e−

Tτ

]= VDC

R

[1− e−

tonτ

]+ E

R

[e−

Tτ −1

]Imax = VDC

R

[1−e−

tonτ

][1−e−

Tτ

] + ER

[e−

Tτ −1

][1−e−

Tτ

]Imax = VDC

R

[1−e−

tonτ

][1−e−

Tτ

] − ER = VDC

R

[1−e−

δTτ

][1−e−

Tτ

] − ER

(15.24)

Sustituyendo el resultado de la expresión 15.24, en la ecuación 15.23 se obtiene:

Imin =VDC

R

[e

tonτ −1

][e

Tτ −1

] − ER

=VDC

R

[e

δTτ −1

][e

Tτ −1

] − ER

(15.25)

15.5. CHOPPER ELEVADOR 279

El rizado de operación del chopper se puede calcular a partir de los resultados de las expresiones15.24 y 15.25 como:

∆i =Imax− Imin

2=

VDC

2R

[1− e−

tonτ

][1− e−

Tτ

] −[e

tonτ −1

][e

Tτ −1

] (15.26)

Reduciendo la expresión del rizado de corriente 15.26, se obtiene:

∆i =VDC

2R

[1− e−

tonτ + e−

Tτ − e−

(T−ton)τ

1− e−Tτ

]=

VDC

2R

[1− e−

δTτ + e−

Tτ − e−

(1−δ )Tτ

1− e−Tτ

](15.27)

La razón de conducción (δmax) que maximiza el rizado de corriente se obtiene como:

∂∆i∂δ

∣∣∣∣δmax

=VDC

2Rτ

T

[e

(1−δmax)Tτ − e

δmaxTτ

1− e−Tτ

]= 0 (15.28)

Despejando el valor de δmax de la ecuación 15.28, se obtiene:

δmax =12

(15.29)


Para calcular la tensión media sobre la carga se aplica la definición en la forma de onda de tensiónde la figura 15.11.

V0 = 1T∫ ton

0 VDCdtV0 = VDC

tonT

V0 = VDCδ

(15.30)

15.5. Chopper Elevador

En la figura 15.13, se presenta el esquema de un chopper elevador, la principal aplicación de es-te convertidor es el de recuperación de energía a la red, en especial en operaciones de frenadoeléctrico.


Figura 15.13: Esquema del chopper elevador

El principio de operación de este chopper es bastante simple, la componente principal coloca uncorcocircuito sobre la carga estableciendo una corriente circulatoria en el sentido mostrado en lafigura 15.13, y acumulando energía en el inductor. Al apagar la componente principal la energíaacumulada en el inductor fuerza el encendido del diodo a fin de mantener la condición de corriente,durante este tiempo se establece una corriente circulatoria entre la fuente E2 y E1, hasta que seencienda nuevamente la componente principal o que la corriente trate de cambiar de sentido decirculación lo que ocasionaría el apagado natural del diodo. En la figura , se presenta la forma deonda de corriente y tensión de este puente para un inductancia de 100mH , una fuente E2 = 60V yE1 = 100V . La razón de conducción del chopper es 0,4 con una frecuencia de operación de 500Hz.Adicionalmente, en la figura 15.15,se muestra la corriente en cada componente que conforma elconvertidor para esta condición de operación.

Figura 15.14: Corriente y tensión en la carga para un chopper elevador

15.5. CHOPPER ELEVADOR 281

Figura 15.15: Corriente en las componentes del chopper elevador

15.5.1. Expresión de corriente

En la figura 15.14, se observa que el puente tiene dos etapas de operación una transitoria dondela condición inicial de corriente es cero y otra de régimen permanente donde la corriente se repiteperiódicamente.

15.5.1.1. Régimen Transitorio


La ecuación diferencial del circuito para este intervalo de operación viene dada por la siguienteexpresión:

E2 = Ldidt

(15.31)

La solución a la ecuación diferencial 15.31, con condición inicial de corriente cero en t = 0 es:

i(t) =E2

Lt (15.32)

Evaluando la corriente en la condición final del intervalo, para obtener la condición inicial delpróximo se obtiene:

i(ton) = I1 =E2

Lton (15.33)



La ecuación diferencial del circuito para este intervalo de operación viene dada por la siguienteexpresión:

E2−E1 = Ldidt

(15.34)

La solución a la ecuación diferencial 15.34, con condición inicial de corriente de la expresión 15.33en t = ton:

i(t) =E2−E1

L(t− ton)+ I1 (15.35)

Evaluando la corriente en la condición final del intervalo, para obtener la condición inicial delpróximo se obtiene:

i(T ) = I2 =E2−E1

L(T − ton)+ I1 (15.36)

15.5.1.2. Régimen Permanente

Para calcular el régimen permanente utilizaremos la condición de régimen permanente, que esta-blece que la corriente es periódica:

i(0) = i(T ) = Imini(ton) = Imax

(15.37)


La ecuación diferencial del circuito para este intervalo de operación viene dada por la expresión15.31. La solución a la ecuación diferencial 15.31, con condición inicial de corriente Imin en t = 0es:

i(t) =E2

Lt + Imin (15.38)

Evaluando la corriente de la expresión 15.38 en la condición final del intervalo, para obtener lacondición inicial del próximo se obtiene:

i(ton) = Imax =E2

Lton + Imin (15.39)

15.6. FRENADO ELÉCTRICO 283


La ecuación diferencial del circuito para este intervalo de operación viene dada por la expresión15.34. La solución a la ecuación diferencial 15.34, con condición inicial de corriente de la expresión15.39 en t = ton:

i(t) =E2−E1

L(t− ton)+ Imax (15.40)

Evaluando la corriente de la expresión 15.40, en la condición final del intervalo, para obtener lacondición inicial del próximo se obtiene:

i(T ) = Imin =E2−E1

L(T − ton)+ Imax (15.41)

Para encontrar los valores de Imax e Iminse sustituye la expresión 15.39 en la 15.41 para obtener:

Imin = E2−E1L (T − ton)+ E2

L ton + Imin

0 = E2−E1L (T − ton)+ E2

L ton0 = E2 (T − ton + ton)−E1 (T − ton)

(15.42)

Dividiendo la expresión 15.42 entre T se obtiene:

E1(1− ton

T

)= E2

E2E1

= (1−δ ) (15.43)

El resultado de la expresión 15.43, se le conoce como condición de régimen permanente del chopperelevador.

15.6. Frenado Eléctrico

Por lo general, en la tracción de vehículo accionados por motores de corriente continua, como porejemplo los trenes del Metro de Caracas, se utiliza el frenado eléctrico para disminuir la velocidaddel móvil. Existen dos esquemas de frenado eléctrico, el primero se denomina regenerativo y con-siste en extraer energía del sistema mecánico y devolverla a la red de corriente continua, utilizandoun chopper elevador. El segundo se denomina reostático y consiste en extraer energía del sistemamecánico y disiparla en un reóstato de frenado.

15.6.1. Frenado Regenerativo

Este esquema de frenado, al momento de devolver la energía a la red de alimentación de corrientecontinua, tiene como limitación la capacidad de adsorción de esta, generalmente esta capacidad nopuede exceder el 15 % del valor de diseño de tensión del sistema. Para utilizar este esquema defrenado el mayor tiempo posible se coordina la devolución de energía a la red por el vehículo enproceso de frenado, con el consumo de otro vehículo en la misma línea de alimentación acelerando.En la figura 15.16, se presenta el esquema del frenado regenerativo.


Figura 15.16: Esquema de frenado regenerativo

El funcionamiento de este esquema consiste en realizar un cortocircuito en la armadura de la má-quina de corriente continua que se conecta en serie con una inductancia de choque para estableceruna corriente por este circuito. Posteriormente, se apaga la componente y la energía acumulada enla inductancia de la máquina en conjunto con la inductancia de choque origina el encendido deldiodo y la corriente de la armadura de la máquina circula hacia la fuente hasta tanto no enciendanuevamente la componente principal. En la operación de frenado se disminuye la velocidad por tan-to la fuerza electromotriz de la máquina en cada operación es menor. Para mantener una condiciónde operación de régimen permanente en este puente se debe respetar el resultado de la expresión15.43, por este motivo este esquema no se puede utilizar para detener completamente la máquina,el frenado final se realiza mediante sistemas mecánicos convencionales.

Etapa de acumulación de energía 0≤ t ≤ ton

Durante esta etapa se puede calcular la corriente de cortocircuito de régimen permanente, con lacomponente principal cerrada, a partir de la ecuación diferencial del circuito y de la condicióninicial de régimen permanente (i(0) = Imin):

i(t) =ERa

(1− e−

tτ

)+ Imine−

tτ (15.44)

Donde:

τ =La +Lchoque

Ra

E = Gω i f

De la expresión 15.44, se puede calcular la condición final de corriente en el intervalo para t =toncomo:

i(ton) = Imax =ERa

(1− e−

tonτ

)+ Imine−

tonτ (15.45)


Etapa de devolución de energía a la fuente ton ≤ t ≤ T

Calculando la corriente que circula por la fuente al abrir la componente principal a partir de laecuación diferencial del circuito y de la condición inicial 15.45, se obtiene:

i(t) =E−VDC

Ra

(1− e−

(t−ton)τ

)+ Imaxe−

(t−ton)τ (15.46)

Evaluando la expresión de corriente 15.46 en el final del intervalo e igualándola a la condición finalde régimen permanente (i(T ) = Imin), se obtiene:

i(T ) = Imin =E−VDC

Ra

(1− e−

(T−ton)τ

)+ Imaxe−

(T−ton)τ (15.47)

Rizado de corriente

De las expresiones 15.45 y 15.47, se pueden obtener los valores de Imin e Imax en régimen perma-nente sustituyendo una ecuación en la otra y simplificando.

Imax =ERa− VDC

Ra

(e−

tonτ − e−

Tτ

)(

1− e−Tτ

) =ERa− VDC

Ra

(e−

δTτ − e−

Tτ

)(

1− e−Tτ

) (15.48)

Imin =ERa− VDC

Ra

(1− e−

(T−ton)τ

)(

1− e−Tτ

) =ERa− VDC

Ra

(1− e−

(1−δ )Tτ

)(

1− e−Tτ

) (15.49)

Con los resultados de las expresiones 15.48 y 15.49, se puede calcular el rizado de corriente como:

∆i =Imax− Imin

2=

VDC

2R

[1− e−

tonτ + e−

Tτ − e−

(T−ton)τ

1− e−Tτ

]=

VDC

2R

[1− e−

δTτ + e−

Tτ − e−

(1−δ )Tτ

1− e−Tτ

](15.50)

Comparando las expresiones 15.50 y 15.27, se puede observar que el rizado de corriente del chop-per elevador elevador con carga RLE es el mismo obtenido para esta carga en la configuraciónreductora. Por tanto la razón de conducción que maximiza el valor de rizado de corriente es elmismo de la expresión 15.29.

Potencia promedio de frenado regenerativo

La potencia promedio de frenado se calcula como el promedio de la potencia instantánea entregadaa la fuente cuando la componente principal esta abierta (ton ≤ t ≤ T ). Esta potencia viene dado porla expresión:

Pf renado = VDC

(1T

∫ T

ton

(E−VDC

Ra

(1− e−

(t−ton)τ

)+ Imaxe−

(t−ton)τ

)dt)

(15.51)


Desarrollando la expresión 15.51, se obtiene:

Pf renado = V 2DCRa

[(E

VDC−1)

(1−δ )+ τ

T

(1+e−

Tτ −e−

tonτ −e−

(T−ton)τ

1−e−Tτ

)]Pf renado = V 2

DCRa

[(E

VDC−1)

(1−δ )+ τ

T

(e−

δTτ +e−

(1−δ )Tτ −e−

Tτ −1

1−eTτ

)] (15.52)

15.6.2. Frenado Reostático

Este esquema de frenado, en una primera etapa funciona igual que el anterior, se establece unacorriente circulatoria por la armadura de la máquina y la inductancia de choque producto del cor-tocircuito de este circuito a través de la componente principal del puente. La energía acumuladaen las inductancias es disipada luego del apagado de la componente principal, y el encendido deltiristor de frenado, en una resistencia de frenado. En la figura 15.17, se presenta el esquema de estetipo de frenado.

Figura 15.17: Esquema de frenado reostático

La potencia promedio de frenado reostático, viene dado por la expresión:

Pf renado = R f renado (Ia (1−δ ))2 (15.53)

15.6.3. Frenado Combinado

En la figura 15.18, se presenta un esquema para frenado que incluye el frenado regenerativo yreostático en un solo puente. Este esquema usa el frenado regenerativo hasta el límite de adsorciónde la red y luego termina de realizar la operación mediante la disipación de energía en el reóstatode frenado. Este esquema, es el que utilizar el Metro de Caracas para disminuir la velocidad de lostrenes en las estaciones, el alto total del tren se realiza mediante zapatas mecánicas en la ruedas. Latemperatura en los túneles del Metro de Caracas, se debe a la disipación de calor en las resistenciasde frenado.


Figura 15.18: Esquema de frenado combinado


15.7. Simulación

15.7.1. Chopper Reductor

Para simular el chopper reductor en condición continuada de corriente, con carga activa resistivainductiva, se puede utilizar el algoritmo 23, diseñado para Matlab.

Algoritmo 23 Chopper reductor condición continuada de corriente% Programa Principalglobal V f Delta R L E% Controlador DC-DC Reductor% VariablesV=input('Tensión DC ');R=input('Carga Resistiva ');L=input('Carga Inductiva ');f=input('Frecuencia del chopper ');Delta=input('razón de conducción en porcentaje ');E=input('Fuente de la carga ');T=1/f; % Periodo de la fuente% Cálculo de la corrientey0=0; % Condición Inicial[T,X]=ode1('corriente',0,20*T,y0,T/100); % Corriente en la CargaOnda=(square(2*pi*f*T,Delta)+1)/2; % Forma de OndaVcarga=V*Onda; % Tensión sobre la Carga% Corriente por los interruptoresis1=X.*Onda; % Componente Principalis2=X.*-(Onda-1); % Diodo de Descarga Libre% Función "corriente.m"function px=corriente(t,x)global V f Delta R L Ei=x;Vcarga=V*(square(2*pi*f*t,Delta)+1)/2; % Tensión sobre la Cargapx=(Vcarga-E-R*i)/L; % Derivada de la corriente en la Carga

15.7.2. Chopper Elevador

Para simular el chopper elevador en régimen permanente, con carga activa resistiva inductiva, sepuede utilizar el algoritmo 24, diseñado para Matlab.


Algoritmo 24 Chopper elevador en régimen permanente%Programa Principalglobal V f Delta R L E% Controlador DC-DC Elevador% VariablesV= %input('Tensión DC ');R=input('Carga Resistiva ');L=input('Carga Inductiva ');f=input('Frecuencia del chopper ');Delta=input('razón de conducción en porcentaje ');E=input('Fuente de la carga ');T=1/f; % Periodo de la fuente% Cálculo de la corrientey0=0; % Condición Inicial[T,X]=ode1('corriente1',0,20*T,y0,T/100); % Corriente en la CargaOnda=-(square(2*pi*f*T,Delta)-1)/2; % Forma de OndaVcarga=V*Onda; % Tensión sobre la Carga% Corriente por los interruptoresis1=X.*Onda; % Diodo de descarga Libreis2=X.*-(Onda-1); % Componente Principal%Función "corriente1.m"function px=corriente1(t,x)global V f Delta R L Ei=x;Vcarga=-V*(square(2*pi*f*t,Delta)-1)/2; % Tensión sobre la Cargapx=-(Vcarga-E-R*i)/L; % Derivada de la corriente en la Carga


Parte VI

Puentes Convertidores DC - AC

291

Capítulo 16

Inversores


Los inversores, son circuitos que tienen como finalidad suministrar tensión o corriente alterna, va-riable en magnitud y frecuencia a partir de una fuente de corriente continua. Los rectificadorescontrolados en algunos casos y dependiendo del ángulo de disparo pueden trabajar como inverso-res. Las principales aplicaciones de los inversores son el control de velocidad y posición de losmáquinas de corriente alterna, la fabricación de fuentes ininterrumpidas de potencia (UPS) paracargas críticas y dispositivos de corriente alterna que funciones a partir de una batería como losvehículos eléctricos.

16.2. Principio de Funcionamiento

En la figura 16.1, se presenta el esquema de un inversor monofásico. Este convertidor esta con-formado por cuatro interruptores bidireccionales de corriente. La operación sincronizada de losinterruptores Sw permite aplicar sobre la carga tensiones positivas (+VDC), negativas (−VDC) ycero (0).

Para obtener tensión positiva (+VDC) en la carga, es necesario cerrar los interruptores Sw1y Sw3,mientras que Sw2y Sw4 permanecen abiertos. En la figura 16.2 se presenta la topología del conver-tidor para esta secuencia de operación de los interruptores.

Figura 16.1: Esquema del Inversor Monofásico

293

294 CAPÍTULO 16. INVERSORES

Figura 16.2: Topología de los Interruptores Para Obtener Tensión Positiva en la Carga

Figura 16.3: Topología de los interruptores para obtener tensión negativa en la carga

Para obtener tensión negativa (−VDC) en la carga, es necesario cerrar los interruptores Sw2y Sw4,mientras que Sw1y Sw3 permanecen abiertos. En la figura 16.3 se presenta la topología del conver-tidor para esta secuencia de operación de los interruptores.

Para obtener tensión cero (0) en la carga, es necesario cerrar los interruptores Sw2y Sw1o Sw3ySw4 mientras que los demás permanecen abiertos. Generalmente se alterna las dos secuencias dedisparo, de forma simétrica, para obtener tensión cero en la carga con la finalidad que todas lascomponentes manejen los mismos niveles de pérdidas. En la figura 16.4 se presenta la topologíadel convertidor para esta secuencia de operación de los interruptores.

En la tabla 16.1 se presenta un resumen de la secuencia de operación de los interruptores paraobtener cada una de las tensiones +VDC,−VDC y 0 sobre la carga.

Controlando el tiempo que el convertidor permanece en cada uno de los estados de la tabla 16.1,se puede controlar la frecuencia y magnitud efectiva de la tensión o corriente sobre la carga. Lospuentes inversores pueden trabajar con carga pasiva o activa alterna.

En la figura 16.5, se presenta la forma de onda de tensión sobre la carga para una operación si-métrica del inversor en dos estados (+VDC, −VDC). Controlado el tiempo de conmutación de los

Tabla 16.1: Secuencia de Disparo del Inversor Monofásico

Interruptores Cerrados Tensión sobre la CargaSw1 y Sw3 +VDCSw2 y Sw2 −VDCSw1 y Sw2 0Sw3 y Sw4 0

16.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 295

(a) Opción 1

(b) Opción 2

Figura 16.4: Topología de los interruptores para obtener tensión cero en la carga


interruptores (T/2), se puede modificar la frecuencia de la onda de tensión de solida. La tensiónefectiva sobre la carga se puede calcular como:

Vrms =

√1T

∫ T

0V 2

DCdt = VDC (16.1)

Figura 16.5: Tensión en la carga para un inversor monofásico en operación de 2 estados

Para modificar el valor efectivo de la onda de salida del inversor, es necesario modular el valorde la fuente DC en cada semi ciclo de la onda de alterna de forma simétrica. Esta modulación sepuede realizar de forma análoga a la operación de los controladores DC - DC (chopper) en dondedurante el tiempo de conducción de las componentes se realizaban cortocircuitos en la carga a finde disminuir el valor de la tensión media sobre esta. A este tipo de operación se le conoce comocontrol por tres estados (+VDC, −VDC, 0). Otra posibilidad de reducir el valor medio de la fuenteDC, durante el semi ciclo de operación de la onda alterna es invertir el valor de la fuente durante uninstante de tiempo, a esta operación se le conoce como control por dos estados (+VDC, −VDC). Enla figura 16.6,se presenta la forma de onda de tensión sobre la carga para un inversor con controlde 3 estados. Para este caso la tensión efectiva sobre la carga es:

Vrms =

√√√√ 1T

(∫ a+x

xV 2

DCdt +∫ a+x+ T

2

x+ T2

V 2DCdt

)=

√2T

∫ a+x

xV 2

DCdt = VDC

√2aT

(16.2)

Donde:

0≤ a≤ T2

16.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 297

Figura 16.6: Tensión en la carga para un inversor monofásico en operación de 3 estados

Realizando el cambio de variable a = T/2−2x en la expresión 16.2, se obtiene:

Vrms = VDC

√1− 4x

T(16.3)

La tensión de salida del inversor de la figura 16.6, aprovechado su simetría, se puede expresar enseries de Fourier como:

v(t) =∞

∑n=1,2,3,···

Cn sin(nωt) (16.4)

donde:

Cn =4T

∫ T2−x

xVDC sin(nωt)dωt =

(8VDC

nT

)cos(nx)

La variación del valor de "x" permite modificar el valor efectivo de la señal de salida, así comola amplitud de cada armónica de la onda. Por esta razón el contenido armónico de la señal puedeser controlado con una escogencia adecuada del valor de "x". Por ejemplo un valor de x = T/12,anula la tercera armónica de la señal y sus múltiplos. En la figura 16.7, se presenta un ejemplográfico de la eliminación de las terceras y quinta armónica en tres formas de ondas generadas por elinversor. Se puede observar en la 16.7 (a) y (b) como el área positiva y negativa en ambas gráficasse compensan, ocasionando la anulación de la armónica respectiva. Por otro lado en la 16.7 (c) seevidencia que en el espectro armónico de la señal no hay presencia de tercera ni quinta armónica.


(a) Tercer armónico

(b) Quinta armónica (c) Tercera y quinta armónica

Figura 16.7: Eliminación de armónicos

16.3. Inversor Monofásico

En la figura 16.8, se presenta el esquema de un puente inversor monofásico de media onda y ondacompleta. Los interruptores bidireccionales en este caso, están construido por un IGBT en paralelocon un diodo de descarga libre. Esta configuración permite que la corriente positiva sea manejadapor el IGBT, mientras que la negativa por el diodo de descarga.

En la figura 16.9, se presenta la forma de onda de tensión y corriente sobre la carga en régimenpermanente para un inversor de media onda, destacando la componente en conducción en cadainstante de tiempo.

En la figura 16.10, se presenta la forma de onda de tensión y corriente sobre la carga en régimenpermanente, para un inversor de onda completa, destacando la componente en conducción en cadainstante de tiempo.

16.3. INVERSOR MONOFÁSICO 299

(a) Media Onda (b) Onda Completa

Figura 16.8: Inversor monofásico

Figura 16.9: Tensión y corriente en la carga para un inversor de media onda

16.3.1. Expresión de Corriente en Régimen Permanente

Para el inversor monofásico de la figura 16.8, se puede apreciar que la para la configuración demedia onda la tensión sobre la carga varía entre ±VDC/2 , mientras que para el de onda completavaría ente ±VDC. La ecuación diferencial que describe el circuito para una carga del tipo RL vienedada por:

v f (t) = Ri(t)+Ldi(t)

dt(16.5)

Donde:

v f (t) =

V1 0≤ t ≤ T

2−V1

T2 < t < T

Para el puente inversor de media onda V1 = VDC/2 , mientras que para el de onda completa V1 =VDC.


Figura 16.10: Tensión y corriente en la carga para un inversor de onda completa

Resolviendo la ecuación diferencial 16.5, para cada uno de los semi ciclos obtenemos:

para 0≤ t ≤ T2 :

i(t) = k1e−tτ +

V1

R(16.6)

Evaluando la condición inicial i(0) =−Imin en la expresión 16.6, se obtiene:

i(t) =V1

R

(1− e−

tτ

)− Imine−

tτ (16.7)

Evaluamos la condición final del intervalo

i(

T2

)= Imax =

V1

R

(1− e−

T2τ

)− Imine−

T2τ (16.8)

para T2 ≤ t ≤ T :

i(t) = k2e−tτ − V1

R(16.9)

Evaluando la condición inicial i(T/2) = Imax en la expresión 16.9, se obtiene:

16.3. INVERSOR MONOFÁSICO 301

i(t) =V1

R

(e−

(t− T2 )

τ −1

)+ Imaxe−

(t− T2 )

τ (16.10)

Evaluamos la condición final del intervalo

i(T ) = Imin =V1

R

(e−

T2τ −1

)+ Imaxe−

T2τ (16.11)

Por simetría de la onda se cumple que:

Imin =−Imax (16.12)

Sustituyendo la condición de simetría 16.12 en la ecuación 16.8, se obtiene:

Imax = V1R

(1− e−

T2τ

)− Imaxe−

T2τ

Imax

(1+ e−

T2τ

)= V1

R

(1− e−

T2τ

)Imax = Imin = V1

R

(1−e−

T2τ

)(

1+e−T2τ

)(16.13)


Vrms =

√2T

∫ T2

0V 2

1 dt = V1 (16.14)

16.3.3. Expresión en Series de Fourier

16.3.3.1. Tensión

v(t) =∞

∑n=1,3,5,···

4V1

nπsin(

2πntT

)(16.15)

Nota: La expresión 16.15, es solo válida par los n impares.

16.3.3.2. Corriente

i(t) =∞

∑n=1,3,5,···

4V1

nπ

1Z

sin(

2πntT

−φn

)(16.16)

donde:


Z =√

R2 +(nωL)2

φn = arctan(

nωLR

)

16.3.4. Factor de Distorsión Armónica (THD)

El factor de distorsión armónica (T HD) para tensión es:

T HD =

√v2

1−(

4V1nπ

)2

4V1nπ

= 0,48343 (16.17)

16.3.5. Potencia Activa de 1ra Armónica

P1 =

4V1

nπ

√R2 +(ωL)2

2

R (16.18)

16.4. Inversor Trifásico

En la figura 16.11, se presenta el esquema de un inversor trifásico construido con IGBT y diodosde descarga libre en antiparalelo.

Figura 16.11: Inversor trifásico

El sistema trifásico generado a partir de la fuente de corriente continua debe cumplir las siguientescondiciones:

1. La tensiones en las tres fases deben poseer igual módulo.

2. Debe existir un desfasaje de 2π/3 entre las fases.

3. El sistema de tensiones debe tener una secuencia (a,b,c) o (a,c,b).

16.4. INVERSOR TRIFÁSICO 303

4. La suma de las tensiones en cada instante de tiempo debe ser cero (vab(t)+ vbc(t)+ vca(t) =0).

En la figura 16.12, se presenta un posible sistema de tensiones trifásicas generadas por el inversor.Analizando este sistema de tensiones, se puede evidenciar que cumple las tres primeras condicionespero la sumatoria de tensiones instantáneas en las fases es diferente de cero.

Figura 16.12: Sistema de tensiones trifásica

Estudiando la secuencia de disparo de los IGBT para generara este sistema trifásico de la figura16.12, se pude apreciar como se requiere la operación simultanea de los dos componentes pertene-cientes a la misma rama, esto ocasionaría un cortocircuito en la fuente de corriente continua, razónpor la cual esta forma de onda no puede ser generada por este puente convertidor.

Para cumplir la condición que la sumatoria instantánea de tensiones entre las fases sea igual hacero, las formas de onda generadas por el puente inversor no pueden poseer tercer armónico. Estogarantiza que no exista operación simultánea de dos interruptores de la misma rama. En la figura16.13, se presenta un sistema de tensiones trifásica sin tercer armónico, con su respectiva secuenciade disparo de las componentes.


(a) Opción 1

(b) Opción 2

Figura 16.13: Sistema de tensiones trifásicas sin presencia de tercer armónico

En la figura 16.14, se presenta el contenido armónico de la tensión “vab” para las formas de ondade las figuras 16.12 y16.13. Se puede apreciar la ausencia de terceros armónicos y sus múltiplos enel contenido armónico de las dos ondas correspondientes a la figura 16.13.


Figura 16.14: Contenido armónica del sistema de tensiones trifásicas con y sin tercer armónico

16.4.1. Tensión en Series de Fourier

La expresión en series de Fourier de la tensión línea a línea del inversor trifásico sobre la carga es:

vab(t) =∞

∑n=1,3,5,···

4VDC

nπcos(nπ

6

)sin(

n(

ωt +π

6

))(16.19)

vbc(t) =∞

∑n=1,3,5,···

4VDC

nπcos(nπ

6

)sin(

n(

ωt− π

2

))(16.20)

vca(t) =∞

∑n=1,3,5,···

4VDC

nπcos(nπ

6

)sin(

n(

ωt− 7π

6

))(16.21)

Se puede destacar que para n = 3 y sus múltiplos los coeficientes de de la serie son iguales ha cero.


La tensión efectiva total línea a línea sobre la carga es:

Vrms =

√23

VDC (16.22)


16.4.3. Factor de Distorsión Armónica Total

El factor de distorsión armónica total en tensión es:

T HD =

√V 2

rms−V 2rms1

Vrms1

= 0,31084 (16.23)

16.4.4. Modelo en Vectores Espaciales

16.4.4.1. Inversor

Recordando la definición del vector espacial de tensión línea neutro:

−→v f n =

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

] va(t)vb(t)vc(t)

(16.24)

Calculando el vector espacial de tensión aplicado por el inversor sobre la carga, a partir de lastensiones línea a línea, se obtiene:

−→vll =√

23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

] vab(t)vbc(t)vca(t)

=√

23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

] va(t)vb(t)vc(t)

− vb(t)

vc(t)va(t)

−→vll =

(1− e j 2π

3

)−→v f n

(16.25)

−→vll =√

3e j π

6 −→v f n (16.26)

El resultado de la expresión 16.26, es análogo al obtenido en régimen sinusoidal permanente alpasar de tensiones de línea a tensiones de fase. En la figura 16.15, se presenta el vector espacial detensiones que aplica el inversor a la carga en por unidad de la tensión de Corriente continua VDC.


Figura 16.15: Tensión espacial del inversor trifásico.

El hexágono de la figura 16.15, corresponde a cada una de las posibles combinaciones de los seisinterruptores que conforman el puente inversor, respetando que los interruptores de la misma ramaoperan de manera complementaria entre si, a fin de evitar cortocircuitos sobre la fuente de corrientecontinua.

Sw4 = Sw1Sw6 = Sw3Sw2 = Sw5

(16.27)

Redefiniendo los interruptores de la figura 16.11, en función de las fases obtenemos:

Figura 16.16: Esquema del inversor trifásico con operación complementaria de interruptores

En la tabla 16.2,se presentan los vectores espaciales obtenidos con el inversor trifásico para cadauna de las posibles combinaciones de los interruptores de la figura 16.16.


Tabla 16.2: Vectores espaciales de tensiones del inversor trifásico

Swa Swb Swc−→v f n

0 0 0 0

0 0 1 −√

23VDC e j π

3

0 1 0 −√

23VDC e− j π

3

0 1 1 −√

23VDC

1 0 0√

23VDC

1 0 1√

23VDC e− j π

3

1 1 0√

23VDC e j π

3

1 1 1 0

Se puede calcular la tensión fase neutro aplicada por el inversor a la carga a partir del vector espacialcomo:

ℜe(−→v f n

)=

√23

(va(t)−

12

(vb(t)+ vc(t)))

(16.28)

Como el sistema no posee neutro conectado, se tiene que:

va(t)+ vb(t)+ vc(t) = 0 ⇒ va(t) =−(vb(t)+ vc(t)) (16.29)

Sustituyendo el resultado de la expresión 16.29 en la ecuación 16.28, se obtiene:

va(t) =

√23

ℜe(−→v f n

)(16.30)

Si rotamos el vector espacial de la expresión 16.24 en e j 4π

3 , y aplicando un procedimiento análogoal utilizado para la expresión 16.30, se obtiene:

−→v f ne j 4π

3 =√

23

[e j 4π

3 1 e j 2π

3

] va(t)vb(t)vc(t)

⇒ vb(t) =√

23ℜe

(−→v f ne j 4π

3

)(16.31)

De la ecuación 16.29, se obtiene el valor de vc(t) como:

vc(t) =−(va(t)+ vb(t)) (16.32)


En la figura 16.17, se presentan la tensión fase neutro generada por el inversor en las dos opcionesde conmutación mostradas en la figura 16.13.

(a) Opción 1

(b) Opción 2

Figura 16.17: Tensiones fase neutro del inversor trifásico

En la figura 16.18, se presenta el detalla de la tensión de la fase "a" para ambas opciones.


(a) Opción 1

(b) Opción 2

Figura 16.18: Detalle de la tensión en la fase "a"


16.4.4.2. Carga

En la figura 16.19, se presenta el modelo trifásico equilibrado de una carga activa y/o pasiva conec-tada en delta y estrella en bornes del inversor. El modelo en vectores espaciales del inversor y lacarga se puede expresar como:

−→v f n = k−→e +[Z(p)−M(p)]−→i (16.33)

donde:

−→v f n =

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

] [Swa Swb Swc

]t

−→e =

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

] [v1(t) v2(t) v3(t)

]t

p =ddt


(a) Delta

(b) Estrella

Figura 16.19: Inversor con carga activa y/o pasiva trifásica

En la tabla 16.3, se muestran los valores de la impedancia operacional Z(p) y M(p) de la expresión16.33 para los elementos resistivos, inductivos y capacitivos.


Tabla 16.3: Impedancias operacionales en conexión estrella y delta

Elemento kY ZY (p) MY (p) k∆ Z∆(p) M∆(p)

Resistencia 1 R 0 e− j π6√

3R3 0

Inductancia 1 Lp Mp e− j π6√

3L3 p M

3 p

Capacitancia 1 1Cp 0 e− j π

6√3

13Cp 0

En la figura 16.20, se presenta el vector espacial de tensión y corriente en porcentaje de su valorpico, para una carga resistiva inductiva conecta en estrella de 60Ω y 223mH, alimentada desde unafuente de corriente continua de 100V , con la estrategia de disparo de la figura 16.13 de la opción 1a una frecuencia de 60Hz. En la figura 16.28 se muestra la forma de onda de tensión y corriente enla fase "a", en porcentaje del valor pico correspondiente.

Figura 16.20: Vector espacial de tensión y corriente en la carga RL


Figura 16.21: Tensión y corriente en la fase "a" de la carga RL

En la figura 16.22, se presenta el espectro armónico de la tensión y corriente de la fase "a" enporcentaje de la componente fundamental.

Figura 16.22: Espectro armónico de tensión y corriente en la fase "a" de la carga RL

16.5. MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM) 315

16.5. Modulación por Ancho de Pulso (PWM)

La modulación por ancho de pulso (PWM, Pulse Width Modulation) proporciona un método paradisminuir el factor de distorsión armónica (T HD) en la corriente que suministra el inversor a lacarga. La salida de un inversor con PWM con algo de filtrado, cumple las regulaciones de distorsiónarmónica total más fácilmente que un inversor con salida mediante ondas cuadradas. Si bien lasalida con PWM posee un contenido alto de armónicas, estas son de frecuencias elevadas lo cualfacilita su filtrado y atenuación por parte de la carga.

La modulación PWM controla la amplitud de la tensión de salida utilizando diferentes formas deonda moduladoras o de referencia. Dos ventajas de esta modulación son la reducción de los reque-rimientos de filtrado y el control de la amplitud de la salida. Entre las desventajas podemos citarel incremento en las pérdidas del dispositivo interruptor por el mayor número de conmutacionesrealizadas y una mayor complejidad de los circuitos de control.

La modulación PWM puede ser realizada de dos forma:

Bipolar : Cuando el inversor utiliza dos estados +VDC y −VDC.

Unipolar: Cuando el inversor utiliza tres estados +VDC,−VDC y 0.

En la figura 16.23, se presenta el esquema de modulación unipolar y bipolar para una onda sinu-soidal de referencia y una triangular de portadora.

16.5.1. Índice de Modulación de Frecuencia

El índice de modulación de frecuencia m f se define como el cociente entre la frecuencia de laportadora y de la referencia:

m f =fportadora

fre f erencia(16.34)

La señal de salida del PWM posee la misma frecuencia fundamental que la onda de referencia yarmónicas en y alrededor de los múltiplos del índice de modulación. La escogencia de índices demodulación elevados facilita el filtrado de la onda de salida, pero incrementa las perdidas en losdispositivos electrónicos de potencia utilizados en la conmutación.

16.5.2. Índice de Modulación de Amplitud

El índice de modulación de amplitud mase define como la relación entre la amplitud de la señal dereferencia y la portadora:

ma =Vpicore f erencia

Vpicoportadora

(16.35)

Si ma ≤ 1, la amplitud de la componente fundamental de la salida del PWM es linealmente propor-cional a ma, es decir:


Vrms1 =√

2maVDC (16.36)

De esta forma se puede controlar la amplitud de la componente de frecuencia fundamental de lasalida del PWM al variar ma. Si ma es mayor que uno, la amplitud de la fundamental de salida seincrementa pero de forma no lineal.

(a) Bipolar

(b) Unipolar

Figura 16.23: Modulación PWM

16.5. MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM) 317

16.5.3. Contenido Armónico

En la figura 16.24, se presenta el contenido armónico de la salida del PWM unipolar y bipolar dela figura 16.23, para este caso se utilizo un índice de modulación m f = 12 y ma = 0,5.

Figura 16.24: Contenido armónico de la modulación PWM

En la figura 16.24 se puede destacar que el valor de la fundamental tanto para la salida bipolar comopara la unipolar, coincide con el índice de modulación de amplitud ma. Los mayores contenidosarmónicos se localizan en los alrededores del índice de modulación de frecuencia m f . La salidabipolar presenta mayor contenido armónico que la señal unipolar.

Si modificamos el índice de modulación de amplitud a uno (ma = 1) obtendremos los resultadosmostrados en la tabla 16.4 de valor efectivo en por unidad del valor de la tensión de corrientecontinua (vDC) y distorsión armónica total para la modulación unipolar y bipolar:

Tabla 16.4: Característica de la modulación PWM para referencia sinusoidal con ma = 1 y m f = 12

Valor efectivo total (Vrms) Valor efectivo 1ra armónica (Vrms1) T HDUnipolar 0.7792 0.7077 0.4606Bipolar 0.9690 0.7095 0.93


16.6. Modulación de Ancho de Pulso Modificada SPWM

En esta modulación se utiliza una sinusoidal como referencia pero la portadora se modifica a finde disminuir el número de conmutaciones del puente inversor. La portadora que se utiliza varíacomo una diente de sierra en los extremos de cada semi ciclo de la referencia, que corresponde alos sitios donde más varía la sinusoidal mientras que en la cresta se mantiene un pulso cuadrado.La modulación por diente de sierra se aplica en los siguientes rangos: [0,π/3], [2π/3,4π/3] y[5π/3,2π]. En el rango [π/3,2π/3] y [4π/3,5π/3] la portadora es un pulso cuadrado. En la figura16.25, se presenta un esquema de esta modulación para ma = 1 y m f = 12, en modulación unipolary bipolar.

En la figura 16.26, se presenta el contenido armónico de la modulación por ancho de pulso modifi-cada unipolar y bipolar de la figura 16.25.

En la tabla 16.5 se presenta el valor efectivo en por unidad del valor de la tensión de corrientecontinua (VDC) y distorsión armónica total para la modulación SPWM unipolar y bipolar:

Tabla 16.5: Característica de la modulación SPWM para referencia sinusoidal con ma = 1 y m f = 12


Esta modulación disminuye el número de conmutaciones del puente inversor disminuyendo suspérdidas por este concepto, aumenta el valor efectivo total y de la 1raarmónica de tensión com-parado con la modulación PWM clásica y disminuye la distorsión armónica total generada por elpuente convertidor.

16.6. MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO MODIFICADA SPWM 319

(a) Bipolar

(b) Unipolar

Figura 16.25: Modulación SPWM


Figura 16.26: Contenido armónico de la modulación SPWM

16.7. Técnicas Avanzadas de Modulación.

En esta sección estudiaremos la modulación PWM bipolar y unipolar aplicadas a diferentes ondasde referencia, desde el punto de vista de distorsión armónica total generada, valor efectivo de laseñal de salida y valor efectivo de la 1ra armónica. Durante la comparación se utilizará una modu-lación de amplitud de uno (ma = 1) y de frecuencia de doce (m f = 12). Al finalizar la sección sepresentara una tabla comparativa para cada modulación (unipolar y bipolar) a fin de ver cual es másefectiva desde los puntos de vista analizados.

16.7.1. Trapezoidal

En este caso la onda de referencia es una trapezoidal, esta onda se construye a partir de un triangularla cual se recorta a partir de una amplitud especifica la cual puede ser ajustada. En la figura 16.27,se presenta el esquema de esta modulación unipolar y bipolar, para esta referencia.


En la tabla 16.6 se presenta el valor efectivo en por unidad del valor de la tensión de corriente con-tinua (VDC) y distorsión armónica total para la modulación PWM unipolar y bipolar, con referenciatrapezoidal:

16.7. TÉCNICAS AVANZADAS DE MODULACIÓN. 321

Tabla 16.6: Característica de la modulación PWM para referencia trapezoidal



(a) Bipolar

(b) Unipolar

Figura 16.27: Modulación trapezoidal


Figura 16.28: Contenido armónico para la modulación PWM con referencia trapezoidal

16.7.2. Por Inyección de Armónicas

En este caso la onda de referencia es una onda sinusoidal de frecuencia fundamental, con inyecciónde un contenido armónico específico de tercera y novena armónica. La expresión 16.37, muestra elcontenido armónico más utilizado en esta modulación. En la figura 16.29, se presenta el esquemade esta modulación unipolar y bipolar, para esta referencia.

vre f (t) = 1,15 sin(ωt)+0,27 sin(3ωt)−0,029 sin(9ωt) (16.37)


En la tabla 16.7 se presenta el valor efectivo en por unidad del valor de la tensión de corriente con-tinua (VDC) y distorsión armónica total para la modulación PWM unipolar y bipolar, con referenciapor inyección de armónicas:

Tabla 16.7: Característica de la modulación PWM para referencia por inyección de armónicas



(a) Bipolar

(b) Unipolar

Figura 16.29: Modulación por inyección de armónicas


Figura 16.30: Contenido armónico para la modulación PWM con referencia armónica

16.7.3. Escalera

Esta modulación aproxima una referencia sinusoidal por niveles o peldaños, generalmente se uti-lizan de dos a cuatro peldaños en las aproximaciones. Los niveles de los escalones se calculanpara eliminar armónicas especificas y para cada número de niveles se recomienda un índice de mo-dulación de frecuencia especifico m f . Para obtener un valor elevado de la fundamental con bajadistorsión armónica se recomienda los siguientes índices de modulación:

Dos niveles: m f = 15.

Tres niveles: m f = 21.

Cuatro niveles: m f = 27.

A continuación observaremos las formas de onda y contenido armónico para aproximaciones dedos, tres y cuatro niveles con los índices de modulación recomendados, para la modulación PWMbipolar y unipolar.

En la tabla 16.8 se presenta el valor efectivo en por unidad del valor de la tensión de corriente con-tinua (VDC) y distorsión armónica total para la modulación PWM unipolar y bipolar, con referenciaescalonada para dos, tres y cuatro niveles:


Tabla 16.8: Característica de la modulación PWM para referencia escalonada

Dos Niveles Tres Niveles Cuatro NivelesÍndice de modulación en frecuencia (m f ) 15 21 27

Valor efectivo total (Vrms) 0.9068 0.9261 0.8461Unipolar Valor efectivo 1ra armónica (Vrms1) 0.8394 0.8614 0.7825

T HD 0.4089 0.3947 0.4112Valor efectivo total (Vrms) 0.9846 0.9799 0.9531

Bipolar Valor efectivo 1ra armónica (Vrms1) 0.8425 0.8680 0.7850T HD 0.6048 0.5239 0.6885


(a) Dos niveles

(b) Tres niveles

(c) Cuatro niveles

Figura 16.31: Modulación escalera unipolar


(a) Dos niveles

(b) Tres niveles

(c) Cuatro niveles

Figura 16.32: Modulación escalera bipolar


(a) Dos niveles

(b) Tres niveles

(c) Cuatro niveles

Figura 16.33: Contenido armónica de la modulación escalera


16.7.4. Por Pasos

La modulación por pasos consiste en aproximar una onda sinusoidal de referencia por niveles, estadiscretización se realiza cada π/9. En la figura 16.34, se presenta la forma de onda para la modula-ción PWM unipolar y bipolar con un índice de modulación de amplitud de uno y de frecuencia dedoce.


En la tabla 16.9 se presenta el valor efectivo en por unidad del valor de la tensión de corriente con-tinua (VDC) y distorsión armónica total para la modulación PWM unipolar y bipolar, con referenciapor pasos:

Tabla 16.9: Característica de la modulación PWM para referencia por pasos



(a) Bipolar

(b) Unipolar

Figura 16.34: Modulación PWM con referencia a pasos

16.7.5. Resumen

En la tabla 16.10, se presenta un resumen de las modulaciones PWM unipolar y bipolar estudiadaspara un índice de modulación de amplitud de uno (ma = 1) y de frecuencia de doce (m f = 12),


Figura 16.35: Contenido armónico para la modulación PWM con referencia por pasos

con acepción de la modulación escalera que se realizo con los índices de modulación de frecuenciarecomendados para los niveles estudiados.

Tabla 16.10: Modulaciones PWM para las diferentes referencias

Unipolar BipolarReferencia de la Modulación Vrms Vrms1 T HD Vrms Vrms1 T HD

Sinusoidal 0.7792 0.7077 0.4606 0.9690 0.7095 0.9300SPWM 0.9585 0.8554 0.5057 0.9857 0.8104 0.6923

Trapezoidal 0.8729 0.8395 0.2850 0.9854 0.8399 0.6137Por Inyección de Armónicas 0.8576 0.8127 0.3369 0.9754 0.8227 0.6369

Escalera (2 niveles) 0.9068 0.8394 0.4089 0.9846 0.8425 0.6048Escalera (3 niveles) 0.9261 0.8614 0.3947 0.9799 0.8680 0.5239Escalera (4 niveles) 0.8461 0.7825 0.4112 0.9531 0.7850 0.6885

Por Pasos 0.7875 0.7197 0.4443 0.9736 0.7177 0.9166

Se puede observar en la tabla 16.10, como la modulación unipolar presenta menor distorsión ar-mónica a la carga que la bipolar, pero esto requiere un puente inversor de tres estados. Ambasmodulaciones obtienen valor efectivos de primera armónica similares. La escogencia de una refe-rencia especifica depende de los estados que maneje el puente convertidor y la máxima frecuenciade conmutación que soporten las componentes para los requerimientos de la carga.

16.8. MODULACIÓN DELTA DE CORRIENTE 333

16.8. Modulación Delta de Corriente

La modulación delta de corriente consiste en adecuar la estrategia de disparo de los componentesdel inversor para seguir una referencia de corriente determinada, dentro de una banda de histéresisdefinida. La estrategia de disparo consiste en colocar tensión VDC en la carga, si la referencia esmayor que la corriente medida en el circuito y −VDC si es menor. La frecuencia de operación delinversor depende del ancho de la ventana de histéresis a menor ancho mayor número de conmu-taciones. En la figura 16.36, se presenta la corriente de referencia y mediada en la carga resistivainductiva de un puente inversor monofásico. Para este ejemplo se utilizo una referencia de corrientesinusoidal de la forma: i(t) = sin(2π f t) con R = 60Ω, L = 223mH, f = 60Hz y VDC = 100V .

Figura 16.36: Corriente de referencia y real en un inversor monofásico accionado por modulacióndelta

En la figura 16.37, se presenta la tensión en bornes de la carga resistiva inductiva obtenida de laestrategia de conmutación por modulación delta de la figura 16.36.


Figura 16.37: Tensión en la carga del inversor monofásico accionado por modulación delta

16.9. Instalación de Inversores

Al utilizar inversores la corriente alterna que circula por los conductores del equipo, su alimenta-ción desde la red y la conexión al motor es reemplazada por un tren de pulsos de alta frecuenciaque modifican los conceptos tradicionales aplicados a las instalaciones eléctricas industriales. Lacirculación de corrientes importantes de alta frecuencia produce caídas no lineales en conducto-res así como campos electromagnéticos y radiación que pueden perturbar el funcionamiento deequipos cercanos. Coexisten actualmente diversas legislaciones, en distintos países, para establecerlimites a las perturbaciones introducidas por los equipos. Quizás la más exigente al respecto sea enla actualidad la norma europea que establece dos niveles de perturbación generada por un variador:

El nivel industrial, que básicamente todo variador debe satisfacer sin la utilización de elemen-tos exteriores, en la medida que el variador sea instalado de acuerdo a las recomendacionesdel fabricante. Dichas recomendaciones dan métodos de cableado, protección, instalación ycableado.

El nivel residencial, mas exigente que el anterior en el cual deben utilizarse generalmentefiltros adicionales en la alimentación y salida del variador para limitar las perturbacionesintroducidas. Aparte de utilizar los filtros el inversor debe ser instalado de acuerdo a lasrecomendaciones del fabricante.

El análisis de las perturbaciones generadas por el inversor nos lleva a dividir la instalación en 3partes:

Cableado inversor-motor: El cable variador motor es realmente una línea de transmisión don-de circulan corrientes de alta frecuencia. Como toda línea de transmisión tiene una atenuación(producto de la derivación capacitiva de energía a masa) que reduce la energía transmitida y


que alcanza finalmente el motor. En caso de instalaciones donde el motor se encuentre lejosdel inversor (>100 metros) debe considerarse la utilización de conductores de baja capaci-dad o sobredimensionar el inversor para disponer de la energía necesaria para el motor. Nodebe descartarse la posibilidad de resonancias en una frecuencia dada de operación. Dicha lí-nea además puede comportase como antena radiante y perturbando por radiofrecuencia otrosequipos o instalaciones. Se recomienda minimizar dichos efectos racionalizando el cablea-do, separando señal de potencia y equipos entre si utilizando conductores blindados con laconexión adecuada a masa, evitando la formación de lazos de masa que reducen el efecto delblindaje.

Instalación de inversor: El inversor debido a las energías internas en juego puede conside-rarse como un emisor de radiofrecuencia. A fin de limitar este efecto el mismo debería estarinstalado en un gabinete metálico que actué como jaula de faraday previendo la convenienterefrigeración térmica al equipo.

Suministro de energía: Por el conductor de conexión del rectificador que alimenta el inversor,a la red de suministro circulan corrientes pulsantes que producen caídas no lineales en dichocable. El fenómeno se denomina reinyecion a la fuente, existiendo el riesgo de que si hubieraotros equipos conectados a la misma línea vean modificado o perturbado su funcionamiento.La minimización de la reinyección a la fuente implica la correcta selección de cableados encuanto a componentes y distribución. Puede considerarse la utilización de filtros que limi-ten dicho efecto. Los fabricantes incluyen dichos filtros en los accesorios ofrecidos con elinversor.

16.10. Simulación

En el algoritmo 25, se presenta el código de Matlab para la simulación de un inversor monofásicocon carga resistiva inductiva.

En el algoritmo 26, se presenta el modelo en vectores espaciales de inversor trifásico con cargaresistiva inductiva.

En el algoritmo 27, se presenta el listado de la rutina de integración de paso fijo "ode1.m"

En el algoritmo 28, se presenta el listado en Matlab para calcular el contenido armónico de lamodulación PWM unipolar y bipolar para cada una de las modulaciones estudiadas en este capítulo.

En el algoritmo 29, se presenta el listado en Matlab para el cálculo del contenido armónico de lamodulación de ancho de pulso modificada SPWM.

En el algoritmo 30, se presenta el listado en Matlab para la modulación delta de un inversor mono-fásico con carga resistiva inductiva.


Algoritmo 25 Inversor monofásico% Programa Principalglobal V f R L% Inversor Monofásico% VariablesV=input('Tensión DC ');R=input('Carga Resistiva ');L=input('Carga Inductiva ');f=input('Frecuencia ');% Cálculo de la corrientey0=0; % Condición Inicial[T,X]=ode1('corriente',0,20/f,y0,1/(100*f)); % Corriente en la CargaOnda=(square(2*pi*f*T,50)); % Forma de OndaVcarga=V*Onda; % Tensión sobre la CargaVf=V*ones(length(T));figure(3)subplot(2,1,1); plot(T,X);xlabel('Tiempo [s]'); ylabel('Corriente [A]'); grid;subplot(2,1,2); plot(T,Vf,T,Vcarga,'r'); grid;xlabel('Tiempo [s]'); ylabel('Tensión [V]');legend('fuente','carga');% Cálculo de ArmónicosDeltat=T(2)-T(1);largo=length(T);Np=100; carga=[X,Vcarga];a=carga(largo-Np+1:largo,:);a1=fft(a(:,1))*2/(Np); a1(1)=a1(1)/2;a2=fft(a(:,2))*2/(Np); a2(1)=a2(1)/2;figure(1)subplot(2,1,1); bar((0:49),abs(a1(1:50))./abs(a1(2)),'r');xlabel('Armónicas'); ylabel('p.u.fundamental')legend('Contenido Armónico de Corriente');axis([-1 50 0 1.2]); grid;subplot(2,1,2); bar((0:49),abs(a2(1:50))./abs(a2(2))); grid;xlabel('Armónica'); ylabel('p.u. fundamental')legend('Contenido Armónico de Tensión'); axis([-1 50 0 1.2]);% Cálculo de Distorsión armónicanp=floor(Np/2);Vrms=sqrt((sum((abs(a2(2:np))/sqrt(2)).^2))+abs(a2(1))^2)THDv= sqrt(Vrms^2-(abs(a2(2))/sqrt(2))^2)/(abs(a2(2))/sqrt(2))Irms=sqrt((sum((abs(a1(2:np))/sqrt(2)).^2))+abs(a1(1))^2)THDi= sqrt(Irms^2-(abs(a1(2))/sqrt(2))^2)/(abs(a1(2))/sqrt(2))% Función corriente.mfunction px=corriente(t,x)global V f R Li=x;Vcarga=V*(square(2*pi*f*t,50)); % Tensión sobre la Carga

px=(Vcarga-R*i)/L; % Derivada de la corriente en la Carga


Algoritmo 26 Inversor trifásico modelado en vectores espaciales% Progrma Principalglobal V f R L w% Inversor trifásico% VariablesV=input('Tensión DC ');R=input('Carga Resistiva ');L=input('Carga Inductiva ');f=input('Frecuencia '); T=1/f; w=2*pi*f;% Cáculo de la corrientey0=0; % Condición Inicial[t,ies]=ode1('corriente3f',0,.2,y0,T/100); % Corriente en la Carga% Tensionesvab=(((square(w*t,1/3*100)+1)*.5)-((square(w*t-pi,1/3*100)+1)*.5));vbc=(((square(w*t-2*pi/3,1/3*100)+1)*.5)-((square(w*t-pi-2*pi/3,1/3*100)+1)*.5));vca=(((square(w*t-4*pi/3,1/3*100)+1)*.5)-((square(w*t-pi-4*pi/3,1/3*100)+1)*.5));ves=sqrt(2/3)*V*(vab+exp(j*2*pi/3)*vbc+exp(j*4*pi/3)*vca)*exp(-j*pi/6)/sqrt(3); % vectorespaciali=length(ies)-100:length(ies);%Series de FourierFv=fft(sqrt(2/3)*real(ves(i)))/(length(i)/2); Fv(1)=Fv(1)/2; Fv=Fv/Fv(2)*100;Fi=fft(sqrt(2/3)*real(ies(i)))/(length(i)/2); Fi(1)=Fi(1)/2; Fi=Fi/Fi(2)*100;figure(1)magv=max(abs(ves(i)))/100; magi=max(abs(ies(i)))/100;plot(real(ves(i))/magv,imag(ves(i))/magv,real(ies(i))/magi,imag(ies(i))/magi,'r'); grid;xlabel('Real'); ylabel('Imag'); legend('Tensión','Corriente'); axis('equal');figure(2)va=sqrt(2/3)*real(ves(i))/(sqrt(2/3)*max(real(ves(i))))*100;ia=sqrt(2/3)*real(ies(i))/(sqrt(2/3)*max(real(ies(i))))*100;plot(t(i),va,t(i),ia,'r'); grid;xlabel('Tiempo (s)'); ylabel(' % del valor pico'); legend('Tensión','Corriente');figure(3)clfsubplot(2,1,1); bar(0:30,abs(Fv(1:31))); grid; axis([0 30 0 100]);xlabel('Armónicas'); ylabel(' % de la Fundamental'); legend('Tensión');subplot(2,1,2); bar(0:30,abs(Fi(1:31)),'r'); grid; axis([0 30 0 100]);xlabel('Armónicas'); ylabel(' % de la Fundamental'); legend('Corriente');% Función corriente3f.mfunction px=corriente3f(t,x)global V f R L wi=x;% Tensión sobre la Cargavab1=(((square(w*t,1/3*100)+1)*.5)-((square(w*t-pi,1/3*100)+1)*.5));vbc1=(((square(w*t-2*pi/3,1/3*100)+1)*.5)-((square(w*t-pi-2*pi/3,1/3*100)+1)*.5));vca1=(((square(w*t-4*pi/3,1/3*100)+1)*.5)-((square(w*t-pi-4*pi/3,1/3*100)+1)*.5));% Vector Espacialves1=sqrt(2/3)*V*(vab1+exp(j*2*pi/3)*vbc1+exp(j*4*pi/3)*vca1)*exp(-j*pi/6)/sqrt(3);

px=(ves1-R*i)/L; % Derivada de la corriente en la Carga


Algoritmo 27 Rutina de integración de paso fijo "ode1.m"function [tout, yout] = ode(ypfun, t0, tfinal, y0, paso)t = t0;hmax = (tfinal - t)/paso;h = paso; y = y0(:);chunk = round(hmax);tout = zeros(chunk,1);yout = zeros(chunk,length(y));k = 1;tout(k) = t;yout(k,:) = y.';while (t <tfinal) % Compute the slopess1 = feval(ypfun, t, y); s1 = s1(:);t = t + h;y=y+h*s1;k = k+1;if k >length(tout) tout = [tout; zeros(chunk,1)];yout = [yout; zeros(chunk,length(y))];endtout(k) = t;yout(k,:) = y.';tout = tout(1:k);yout = yout(1:k,:);end


Algoritmo 28 Cálculo del contenido armónico de las diferentes modulaciones para cada referenciat=0:0.01:2*pi; % Definición del tiempo

ref(1,:)=sin(t); y=ref(1,:); % Referencia sinusoidal

% Referencia Trapezoidal

Trap=-2.5*sawtooth(t-pi/2,.5);

for i=1:length(t);if abs(Trap(i))>1 Trap(i)=sign(Trap(i)); end; end; ref(2,:)=Trap;

arm=1.15*sin(t)+.27*sin(3*t)-.029*sin(9*t); ref(3,:)=arm; % Referencia Armónica

% Referencia Escalera de 2 peldaños

for i=1:length(t)

if abs(sin(t(i)))<0.5; y2(i)=sign(sin(t(i)))*.5;

else y2(i)=sign(sin(t(i))); end; end; ref(4,:)=y2;

% Escalera 3 peldaños

for i=1:length(t)

if abs(y(i))<.25; y3(i)=sign(y(i))*.5;

else; if abs(y(i))<.5; y3(i)=sign(y(i))*.75;

else; y3(i)=sign(y(i)); end; end; end; ref(5,:)=y3;

% Escalera 4 peldaños

for i=1:length(t)

if abs(y(i))<.25; y4(i)=sign(y(i))*.25;



else; y4(i)=sign(y(i)); end; end; end; end; ref(6,:)=y4;

y5=(round(y*10))/10; ref(7,:)=y5; % Escalonada

% PWM Clasica

mf=input('Indice de modulación de frecuencia ');

ma=input('Indice de modulación de amplitud ');

PWM=(sawtooth(mf*t,.5)+1)*.5;

PWM1=square(t,50); Unipolar=ma*PWM1.*PWM; Bipolar=ma*sawtooth(mf*t,.5);

for j=1:7; for i=1:length(t);

if abs(Unipolar(i))>=abs(ref(j,i));

Sunipolar(j,i)=0; else; Sunipolar(j,i)=sign(ref(j,i)); end;

if (Bipolar(i))>=(ref(j,i)); Sbipolar(j,i)=-1; else Sbipolar(j,i)=1;end; end; end;

% Contenido Armónico

Bi=zeros(7,length(t)); Ui=zeros(7,length(t));

for i=1:7 Bi(i,:)=fft(Sbipolar(i,:))/(length(t)/2);

Bi(i,1)=Bi(i,1)/2; Bi(i,:)=abs(Bi(i,:));

Ui(i,:)=fft(Sunipolar(i,:))/(length(t)/2);

Ui(i,1)=Ui(i,1)/2; Ui(i,:)=abs(Ui(i,:));

VrmsBin(i)=sqrt(sum(Bi(i,2:72).^2))/sqrt(2);

VrmsBi(i)=sqrt(Bi(i,1)^2+VrmsBin(i)^2);

THDBi(i)=sqrt(VrmsBi(i)^2-Bi(i,2)^2/2)/(Bi(i,2)/sqrt(2));

VrmsBi1(i)=Bi(i,2)/sqrt(2); VrmsUin(i)=sqrt(sum(Ui(i,2:72).^2))/sqrt(2);

VrmsUi(i)=sqrt(Ui(i,1)^2+VrmsUin(i)^2);

THDUi(i)=sqrt(VrmsUi(i)^2-Ui(i,2)^2/2)/(Ui(i,2)/sqrt(2));

VrmsUi1(i)=Ui(i,2)/sqrt(2);end;

salida=[THDBi',VrmsBi',VrmsBi1',THDUi',VrmsUi',VrmsUi1']' %Salidas

i=input('salida a graficar '); % Grafica a realizar

% (1) sinusoide (2) trapezoida (3) armónicas (4) escalera 2 niveles

%(5) escalera 3 niveles (6) escalera 4 niveles (7) por pasos

figure(1) clf

subplot(2,1,1); plot(t,ref(i,:),t,Unipolar,'r'); grid; axis([0 2*pi -1.2 1.2]);

ylabel('Magnitud'); xlabel('Tiempo'); legend('Referencia','Portadora');

subplot(2,1,2); plot(t,Sunipolar(i,:));grid; axis([0 2*pi -1.2 1.2]);

ylabel('Magnitud'); xlabel('Tiempo'); legend('Salida');

figure(2); clf;

subplot(2,1,1); plot(t,ref(i,:),t,Bipolar,'r'); grid; axis([0 2*pi -1.2 1.2]);

ylabel('Magnitud'); xlabel('Tiempo'); legend('Referencia','Portadora');

subplot(2,1,2); plot(t,Sbipolar(i,:)); grid; axis([0 2*pi -1.2 1.2]);

ylabel('Magnitud'); xlabel('Tiempo'); legend('Salida')

figure(3); clf; n=0:72;

bar(n,[Ui(i,n+1)',Bi(i,n+1)']*100);grid; axis([0 72 0 120]);

xlabel('Armónicas'); ylabel('Amplitud ( % de VDC)');legend('Unipolar','Bipolar')


Algoritmo 29 Cálculo del contenido armónico de las modulación SPWMt=0:0.01:2*pi; % Definición del tiemporef=sin(t); % Referenciamf=input('Indice de modulación de frecuencia ');ma=input('Indice de modulación de amplitud ');% PWM ModificadaPWM1=ma*(sawtooth(mf*t,.5)+1)*.5;ang_m=30*pi/180;ang_mod=ang_m/(2*pi)*100;desfa1=0;desfa2=150*pi/180;desfa3=180*pi/180;desfa4=330*pi/180;Mod2=(((square(t-desfa1,ang_mod)+1)*.5+(square(t-desfa2,ang_mod)+1)*.5Mod2=Mod2+(square(t-desfa3,ang_mod)+1)*.5;Mod2=Mod2+(square(t-desfa4,ang_mod)+1)*.5).*PWM1Mod2=Mod2+(square(t-ang_m,120/3.6)+1)*.5Mod2=Mod2+(square(t-ang_m-pi,120/3.6)+1)*.5).*square(t,50);Unipolar=Mod2; Bipolar=Mod2;for i=1:length(t)if abs(Unipolar(i))>=abs(ref(i));Sunipolar(i)=sign(ref(i));elseunipolar(i)=0;endif (Bipolar(i))>=(ref(i));Sbipolar(i)=1;elseSbipolar(i)=-1;endend% Contenido ArmónicoBi=fft(Sbipolar)/(length(t)/2); Bi(1)=Bi(1)/2; Bi=abs(Bi);Ui=fft(Sunipolar)/(length(t)/2); Ui(1)=Ui(1)/2; Ui=abs(Ui);VrmsBin=sqrt(sum(Bi(2:72).^2))/sqrt(2);VrmsBi=sqrt(Bi(1)^2+VrmsBin^2)THDBi=sqrt(VrmsBi^2-Bi(2)^2/2)/(Bi(2)/sqrt(2))VrmsBi1=Bi(2)/sqrt(2)VrmsUin=sqrt(sum(Ui(2:72).^2))/sqrt(2);VrmsUi=sqrt(Ui(1)^2+VrmsUin^2)THDUi=sqrt(VrmsUi^2-Ui(2)^2/2)/(Ui(2)/sqrt(2))VrmsUi1=Ui(2)/sqrt(2)figure(1)subplot(2,1,1); plot(t,ref,t,Unipolar,'r'); grid; axis([0 2*pi -1.2 1.2]);ylabel('Magnitud'); xlabel('Tiempo'); legend('Referencia','Portadora');subplot(2,1,2); plot(t,Sunipolar); grid; axis([0 2*pi -1.2 1.2]);ylabel('Magnitud'); xlabel('Tiempo'); legend('Salida');figure(2)subplot(2,1,1); plot(t,ref,t,Bipolar,'r'); grid; axis([0 2*pi -1.2 1.2]);ylabel('Magnitud'); xlabel('Tiempo'); legend('Referencia','Portadora');subplot(2,1,2); plot(t,Sbipolar); grid; axis([0 2*pi -1.2 1.2]);ylabel('Magnitud'); xlabel('Tiempo'); legend('Salida');figure(3) n=0:72; bar(n,[Ui(n+1)',Bi(n+1)']*100); grid; axis([0 72 0 120]);

xlabel('Armónicas'); ylabel('Amplitud'); legend('Unipolar','Bipolar')


Algoritmo 30 Inversor monofásico accionado por modulación delta% Programa Principalglobal V f R L SW k% Inversor % VariablesV=input('Tensión DC ');R=input('Carga Resistiva ');L=input('Carga Inductiva ');f=input('Frecuencia ');% Cálculo de la corrientey0=0; % Condición Inicialk=1;t=0:1/(100*f):20/f;SW=zeros(1,length(t));[t,I]=ode1('corrientedelta',0,20/f,y0,1/(100*f)); % Corriente en la Carga% Graficasref=sin(2*pi*f*t);i=length(t)-99:length(t); % Último Ciclofigure(1)plot(t(i),ref(i),t(i),I(i),'r'); gridaxis([t(i(1)) t(i(length(i))) -1.2 1.2]);xlabel('Tiempo (s)'); ylabel('Corriente (A) '); legend('I_r_e_f','I');figure(2)plot(t(i),SW(i));grid;xlabel('Tiempo (s)'); ylabel('Tensión (V) ');axis([t(i(1)) t(i(length(i))) -1.2 1.2]);% Función corrientedelta.mfunction px=corrientedelta(t,x)global V f R L SW ki=x; ref=sin(2*pi*f*t); % Referencia de Corrientek=k+1;if abs(ref-i)>=0.05SW(k)=sign(ref-i);elseSW(k)=SW(k-1);endVcarga=V*SW(k); % Tensión sobre la Carga

px=(Vcarga-R*i)/L; % Derivada de la corriente en la Carga


Parte VII

Especificaciones de DispositivosElectrónicos de Potencia

343

Capítulo 17

Especificaciones de Componentes dePotencia


Para especificar una componente de potencia se debe en cuenta los siguientes aspectos: tensión quesoporta apagada, corriente media y efectiva que proporciona al circuito en conducción, capacidadde di/dt, capacidad de dv/dt, requisitos de activación y desactivación, frecuencia de operación ypotencia que disipa en sus diferentes estados de operación.

La potencia que disipa un componente semi conductor, se puede clasificar de acuerdo a su estadode operación en:

Bloqueo: Cuando la componente se encuentra apagada.

Conducción: Cuando la componente esta encendida.

Conmutación: Son las producidas por el cambio de estado entre conducción y bloqueo yviceversa.

Circuitos Auxiliares: Son las producidas por los circuitos asociados de encendido o apagadode la componente, generalmente se consideran por separado y no afectan en la determinacióndel semi conductor.

17.2. Tensión

Se debe tener en cuenta al momento de especificar una componente la tensión pico que soporta lacomponente de forma directa (en conducción) e inversa (apagado).

17.3. Corriente

Se debe considerar en la especificación la corriente promedio y efectiva de la componente en con-ducción, su corriente de fuga en apagado y de pico repetitivo y no repetitivo.

345

346 CAPÍTULO 17. ESPECIFICACIONES DE COMPONENTES DE POTENCIA

17.4. Frecuencia de Interrupción

Al momento de especificar la frecuencia de operación de la componente se deben considerar lostiempos requeridos para el encendido y pagado de la componente con seguridad, así como lostiempos muertos que por seguridad hay que tomar al momento de conmutar elementos de la mismarama.

17.5. Capacidad de Variación de Corriente (di/dt)

El dispositivo requiere un tiempo para que toda la superficie conductora permita el flujo de corrien-te. Si la corriente aumenta con rapidez, el flujo se concentraría en cierta parte del semiconductorsuperando su densidad de corriente y deteriorándolo permanentemente. Para limitar el di/dt se uti-lizan inductores en serie con los dispositivos de potencia, esta inductancia generalmente se le llamainductor de amortiguamiento.

17.6. Capacidad de Variación de Tensión (dv/dt)

Debido a las capcitancias interna de los semiconductores de potencia es necesario limitar la tazade crecimiento de la tensión durante las operaciones de conmutación del dispositivo. Generalmentepara limitar el dv/dt se utilizan circuitos auxiliares de conmutación denominados Snubber. ElSnubber más común consiste en un arreglo RC en paralelo con la componente.

17.7. Requisitos de Activación y Apagado de Compuerta

Otro aspecto al considerar al momento de especificar una componente son los requerimientos deencendido y apagado de la misma, desde el punto de vista de niveles de tensión, corriente, pérdidas,circuitos adicionales y costo que estos para el circuitos de potencia.

17.8. Protección con Fusible I2t

Cuando el equipo de potencia requiere protección contra cortocircuitos en la línea de alimentacióny esta se realiza con fusibles es necesario una operación coordinada entre este y la componente. ElI2t del dispositivo semiconductor debe ser menor por lo menos que el del fusible a fin de garantizaruna operación selectiva de este y el equipo se encuentre protegido ante fallas.

17.9. Temperatura

Durante la operación de los dispositivos de potencia es necesario que estos no superen las máximastemperaturas de operación del semiconductor, ya que pueden variar sus propiedades dieléctricas.

17.10. PÉRDIDAS EN DIODOS Y TIRISTORES 347

Figura 17.1: Característica de conducción del diodo y tiristor

Los factores que influyen en el aumento de la temperatura de los dispositivos son: las pérdidasen las diferentes zonas de operación y el intercambio de calor con el medio ambiente (modelotérmico).

17.10. Pérdidas en Diodos y Tiristores

Para especificar un diodo o un tiristor por sus pérdidas se deben tomar en cuenta las potenciaspromedio disipadas en cada estado de operación y compararlas con las indicadas por el fabricante.Un aspecto a considerar al hacer la comparación, es el tipo de prueba realizada por el fabricantepara determinar las pérdidas totales de la componente como son: el tipo de onda de corriente ytensión utilizadas para cargar el dispositivo. En los diodos y tiritores las pérdidas por bloqueo sonmuy bajas debido a que las corrientes de fuga de estas componentes están en el orden de los microampéres, mientras las de conmutación por su baja frecuencia de conmutación (frecuencia industrial)son poco significativas al compararlas con las de conducción por este motivo centraremos nuestraatención al estudio de las pérdidas de conducción en estos dispositivos y dejaremos un margen deseguridad por la no consideración de las contribuciones de bloqueo y conmutación.

17.10.1. Pérdidas de Conducción

Para calcular las pérdidas promedio de conducción es necesario parametrizar la característica decorriente del diodo y de conducción del tiristor mostrada en la figura 17.1.

La parametrización más sencilla para la característica mostrada en la figura 17.1, es una recta de laforma:

v(t) = VTO +RDi(t) (17.1)


Donde VTOes la tensión de ruptura del dispositivo que esta alrededor de uno a dos voltios y RD es laresistencia dinámica de la componente y coincide con el inverso de la pendiente de la característica.Los valores de VTO y RD son dados por el fabricante como especificación de la componente.

A partir de la expresión 17.1, se puede calcular la potencia promedio de conducción como:

P = 1T∫ T

0 v(t) i(t)dtP = 1

T∫ T

0 [VTO +RDi(t)] i(t)dt

P = VTO

[1T∫ T

0 i(t)dt]+RD

[1T∫ T

0 i(t)2 dt]

P = VTOI0comp. +RDI2rmscomp.

(17.2)

Las corrientes media y efectiva de la ecuación 17.2, corresponden a las que circulan por la compo-nente durante su operación.

17.10.2. Modelo Térmico.

El modelo térmico es una representación eléctrica, a través de un circuito RC, del fenómeno decalentamiento de la componente al disipar potencia. Este modelo sirve para especificar el disipadora ser colocado con la componente para garantizar la disipación de potencia sin el deterioro de lacomponente. El calentamiento de la componente debe ser tal que la juntura semi conductora nosupere los 175C para evitar el cambio de estado del silicio y su perdida de propiedades y por el otrose tiene como limitación la temperatura ambiente. En el modelo térmico la temperatura representala tensión del circuito y la potencia disipada la corriente por lo tanto el cociente entre la temperaturay la potencia da la resistencia térmica que tiene unidades de [C/W ] y cada cambio de material serepresenta con una resistencia y capacitancia térmica. En la figura 17.2, se presenta el modelotérmico del dispositivo.

Figura 17.2: Modelo térmico del diodo y tiristor

Despreciando las capacitancias térmicas que retrasan el proceso de calentamiento de las diferentesmateriales que componen el dispositivo, para evitar el deterioro del semi conductor se debe cumplirque:

Tjuntura−Tambiente ≥ P∑RTermicas (17.3)

17.11. PÉRDIDAS EN TRANSISTORES 349

Como para la determinación de la potencia se aproximo al utilizar una parametrización de la curvadel diodo y del tiristor en conducción y se despreciaron las pérdidas de conmutación y bloque deldispositivo se considerará un factor de seguridad en la ecuación 17.8, de 0,8.

0,8(Tjuntura−Tambiente

)≥ P ∑RTermicas

0,8(Tjuntura−Tambiente

)≥ P

[R juntura−carcaza +Rcarcaza−disipador +Rdisipador−ambiente

] (17.4)

De la expresión 17.4, se puede calcular la resistencia térmica disipador - ambiente como:

Rdisipador−ambiente ≤

[0,8(Tjuntura−Tambiente

)P

−R juntura−carcaza−Rcarcaza−disipador

](17.5)

17.11. Pérdidas en Transistores

Para especificar un transistor por sus pérdidas se deben tomar en cuenta las potencias promediodisipadas en cada estado de operación y compararlas con las indicadas por el fabricante. Un aspectoa considerar al hacer la comparación, es el tipo de prueba realizada por el fabricante para determinarlas pérdidas totales de la componente como son: el tipo de onda de corriente y tensión utilizadaspara cargar el dispositivo. A diferencia del caso de los diodos y tiristores en los transistores porsus altas frecuencias de conmutación las pérdidas en estos procesos puede ser comparables a las deconducción.

17.11.1. Pérdidas de Bloqueo

Estas son producida por las corrientes de fuga de la componente y la tensión colector emisor odrain source en bloqueo, es decir en no conducción. Las corrientes de fuga en componentes semiconductoras, están en el orden de los micro ampéres. La potencia promedio de bloqueo se calculacomo:

Pbloqueo = VCEcorte

[1T∫ T

tonI f ugadt

]Pbloqueo = VCEcorte

[T−ton]T I f uga

Pbloqueo = VCEcorteI f uga [1−δ ]

(17.6)

17.11.2. Pérdidas de Conducción

Estas pérdidas son producidas cuando la componente conduce y depende de la corriente media porla componente y la tensión colector emisor o drain source de saturación. La tensión de saturaciónde un transistor estas alrededor de uno a dos voltios. La potencia promedio de conducción se puedecalcular como:

Pconduccion = VCEsat

[ 1T∫ ton

0 Icdt]

Pconduccion = VCEsattonT Ic

Pconduccion = VCEsat δ Ic

(17.7)


17.11.3. Pérdidas de Conmutación

Estas pérdidas se deben al proceso de encendido y apagado de las componentes. Este proceso esaleatorio y depende de como se derrumba la barrera de potencial a medida que empieza a circularcorriente en el caso del encendido, como se restituye la barrera de potencial conforme se extinguela circulación de la corriente en el apagado. Estas pérdidas dependen directamente del número deoperaciones de encendido y apagado que realice la componente durante su operación. Para calcularla potencia promedio de encendido y apagado hay que tener en cuenta que es un proceso aleatorio,que se puede ajustar a un modelo estadístico de la operación de encendido y apagado. Como todoproceso de diseño se debe tener en cuenta el peor caso para determinar la máxima potencia disipadaen esta condición. Los procesos de encendido y apagado de las componentes son similares por esopara la determinación de las pérdidas estudiaremos sólo el encendido, las pérdidas de apagado secalcularan de igual forma teniendo en cuenta que los tiempos de apagado de los transistores estánen el orden de tres a cuatro veces el de encendido.

Para estudiar las pérdidas de encendido se estudiaran tres modelos estadístico de este fenómeno.

17.11.3.1. Modelo 1

En la figura 17.3, se presenta el esquema de tensión y corriente en la componentes durante elproceso de encendido. En este modelo se asume que la barrera de potencial no se derrumba hastaque la corriente por la componente no se establece completamente.

Figura 17.3: Tensión y corriente durante el encendido de un transistor "Modelo 1"

Para calcular las pérdidas promedio se parametrizará la corriente a una rampa de la forma:

i(t) =Ic

tenct (17.8)

Utilizando la expresión 17.8 y asumiendo la tensión constante e igual a VCEcortese puede calcular lapotencia como:

Pconmu = 1T∫ tenc

o i(t)VCEcortedt

Pconmu = 1T∫ tenc

o VCEcorte

[Ic

tenct]

dt

Pconmu = f VCEcorteIctenc2

(17.9)

17.11. PÉRDIDAS EN TRANSISTORES 351

Donde f es la frecuencia de conmutación de la componente.

17.11.3.2. Modelo 2

En la figura 17.4, se presenta el esquema de tensión y corriente en la componente durante el procesode encendido. En este modelo se asume que la barrera de potencial se derrumba al mismo tiempoque se establece la corriente por la componente.


Para calcular las pérdidas promedio se parametrizará la corriente a una rampa como en la expresión17.8, y la tensión se parametriza de la forma:

v(t) =VCEcorte −VCEsat

tenct (17.10)

Utilizando la expresión 17.8 y 17.10se puede calcular la potencia como:

Pconmu = 1T∫ tenc

o i(t)v(t)dt

Pconmu = 1T∫ tenc

o

[Ic

tenct] [

VCEcorte−VCEsattenc

t]

dt

Pconmu = f (VCEcorte −VCEsat ) Ictenc6

(17.11)

17.11.3.3. Modelo 3

En la figura 17.5, se presenta el esquema de tensión y corriente en la componente durante el procesode encendido. En este modelo se asume que la barrera de potencial se derrumba completamente alcircular la corriente por la componente.



Para calcular las pérdidas promedio se parametrizará la corriente a una rampa como en la expresión17.8, y la tensión se asumirá constante e igual a VCEsat . Se puede calcular la potencia como:

Pconmu = 1T∫ tenc

o i(t)VCEsat dt

Pconmu = 1T∫ tenc

o VCEsat

[Ic

tenct]

dt

Pconmu = f VCEsat Ictenc2

(17.12)

17.11.4. Pérdidas Totales

Para encontrar las pérdidas totales del transistor es necesario sumar las de conducción, bloqueoy conmutación tanto en encendido como apagado. Para las pérdidas de conmutación asumiremoslas del modelo uno por ser el más pesimista y que considera mayores disipaciones de potencia.Entonces las pérdidas totales de un transistor se pueden resumir como:

Ptotal = Pbloqueo +Pconduccion +(Pconmuenc +Pconmuo f f

)Ptotal = VCEcorteI f uga [1−δ ]+VCEsat δ Ic + f VCEcorteIc

(tenc2 + to f f

2

) (17.13)

Donde to f f es el tiempo de apagado de la componente.

Parte VIII

Accionamientos de Máquinas EléctricasRotativas

353

Capítulo 18

Introducción a los Sistemas conAccionamiento Eléctrico.


En las últimas décadas, se han implementado diversas estrategias de control para el accionamientode la máquina eléctricas a través de puentes convertidores electrónicos. Estas estrategias permitenobtener una excelente respuesta del convertidor electromecánico en estado estacionario, pero unapobre respuesta en régimen dinámico de operación. Entre las causas que producen esta pobre res-puesta dinámica, encontramos los cambios en el enlace de flujo en el entre hierro de la máquina,debido al proceso de conmutación de los interruptores estáticos del puente convertidor. Esta pe-queña variación afecta la magnitud y fase del enlace de flujo. Para corregir estas variaciones enel enlace de flujo es necesario controlar instantáneamente la magnitud y fase de las corrientes encada una de las bobinas que conforman el estator y rotor. La mayoría de las estrategias de los ac-cionamientos en corriente alterna, utilizan la magnitud y frecuencia de las corrientes del estatorcomo variable de control, y no toman en cuenta su fase. Esto ocasiona una desviación en la fase ymagnitud del enlace de flujo en el entre hierro de la máquina.

Las variaciones en el enlace de flujo en el entre hierro de la máquina, ocasionan oscilaciones enel par eléctrico instantáneo entregado por el convertidor, esto se refleja como fluctuaciones en lavelocidad y oscilaciones del eje mecánico. Esta condición es indeseable en la mayoría de los ac-cionamientos que requieren altas prestaciones dinámicas, tales como actuadores robóticos, bombasde extracción, donde se requiere alta precisión, rápido posicionamiento o un control preciso develocidad ante variaciones de la carga mecánica. Las variaciones en el enlace de flujo en el entrehierro ocasionan altos picos de corriente en el estator de la máquina. Estos picos de corriente debenser suplidos por el convertidor electrónico durante la operación del accionamiento. Para cubrir esterequerimiento, es necesario el sobre dimensionar las componentes de potencia, lo cual incrementael costo total del convertidor estático de energía.

Al comparar los accionamientos de corriente alterna con los de corriente continua, y en especialcon los de la máquina de corriente continua en conexión independiente, en lo relativo al controldinámico de velocidad, en la máquina DC es más sencillo este control debido, a que se puede con-trolar de manera independiente el flujo, el cual se mantiene constante durante la operación, y el pareléctrico. El par eléctrico y el flujo magnético se controlan independientemente a través únicamente

355

356CAPÍTULO 18. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS CON ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO.

del control de la magnitud de la corriente de armadura y campo del convertidor electromecánico.La sencillez del control de la máquina DC, se basa en que sólo se debe controlar la magnitud de lascorrientes en el campo y la armadura, a diferencia de los motores AC donde existen más grados delibertad (magnitud, frecuencia y fase) lo que complica más el controlador.

En la máquina de corriente alterna es posible realizar un control del flujo y del par eléctrico demanera independiente al igual que la máquina de corriente continua. Para controlar el par y el flujode manera independiente es necesario controlar la fase, magnitud y frecuencia de las corrientes enel estator. Las corrientes en el estator dependen por una parte del enlace de flujo en el rotor el cuales función de la posición angular de este con respecto al estator y de la corriente que circula porel rotor. Para realizar el control de la corriente del estator es necesario conocer en cada instantedel tiempo el enlace de flujo del rotor el cual varía dinámicamente con la posición del rotor. Elcontrol de fase, magnitud y frecuencia de la corriente del estator se puede realizar a través delpuente inversor utilizando control vectorial.

El control vectorial de las máquinas AC es equivalente al control independiente de flujo y par de lamáquina de corriente continua. Este control incrementa las características dinámicas del acciona-miento al tomar en cuenta todos los grados de libertad presentes en la corriente del estator en cadauna de las fases y reduce las fluctuaciones en el enlace de flujo en el entre hierro de la máquina,debidos a las conmutaciones del puente inversor.

18.2. Accionamiento para Máquinas Eléctricas

En la figura 18.1, se presenta el esquema de un accionamiento para una máquina eléctrica. Un ac-cionamiento eléctrico persigue conseguir una determinada respuesta de un sistema mecánico. Estasrespuestas pueden ser: velocidad, par, posición o aceleración. Adicionalmente, los accionamientosdeben cumplir una una serie de restricciones (tiempo de respuesta, aceleraciones máximas, sobreoscilación de la variable a controlar y no sobrepasar determinados valores de corriente, tensión uotras).

Figura 18.1: Esquema de un accionamiento eléctrico de motores

Partes principales de un accionamiento eléctrico:

18.2. ACCIONAMIENTO PARA MÁQUINAS ELÉCTRICAS 357

Fuente de alimentación: en general, la red eléctrica de corriente alterna o un generador.

Convertidor electrónico de potencia: Puede ser una combinación de distintos tipos de con-vertidores: AC-DC, AC-AC, DC-AC, DC-DC. El convertidor podría ser reversible en poten-cia o no reversible.

Sistema de control: puede ser analógico, digital o una combinación de ambos. A menudo seemplean microcontroladores o procesadores digitales de señales (DSP) de gran velocidad ycapacidad de cálculo.

Motor eléctrico: de CA o de CC. La tendencia es usar motores de CA.

Sistema de transmisión (caja de engranajes) y carga mecánica: Puede ser pasivo (el pares siempre en sentido contrario a la velocidad de giro) o activo (el par tiene un sentido único,independientemente del sentido de giro), característico de los aparatos de elevación.

Sensores: transformadores de intensidad o de tensión, sondas de efecto Hall, tacómetros oencoders. La tendencia es eliminar los sensores mecánicos y sustituirlos por observadores,disminuyendo las fallas y necesidades de mantenimiento.

La máquinas eléctricas más empleadas para realizar accionamientos eléctricos son las de corrientealterna y corriente continua. Entre las máquinas de corriente alterna tenemos: inducción, sincróni-cas de imán permanente y de reluctancia. El puente convertidor electrónico se define en función dedos aspectos fundamentales: el sistema de alimentación: continua o alterna que determina su entra-da y la maquina eléctrica a emplear que determina la salida (continua o alterna). En la tabla 18.1,se presentan los convertidores electrónicos más utilizados en la fabricación de accionamientos.

Tabla 18.1: Puentes convertidores utilizados en accionamientos.

Puente Electrónico Fuente de Alimentación Máquina EléctricaChopper Corriente Continua Corriente Continua

Rectificador No Controlado y Controlado Corriente Alterna Corriente ContinuaInversor Corriente Continua Corriente Alterna

Ciclo convertidor Corriente Alterna Corriente AlternaControlador AC - AC Corriente Alterna Corriente Alterna

El esquema de control del accionamiento, debe garantizar un proceso de conversión de energíaeléctrica a mecánica eficiente, teniendo en cuenta la calidad de la energía suministrada al motory a la red de alimentación. Hoy en día con el poder de cálculo y velocidad de los ProcesadoresDigitales de Señales (DSP), permiten que el esquema de control se puede realizar el tiempo real,incrementado las prestaciones dinámicas del accionamiento, ante cambios brusco de la carga yreduciendo el impacto de armónicas al sistema de alimentación y al motor. Entre las prestacionesmás solicitadas en los accionamientos eléctricos encontramos:

Sistema mecánico:

• Control rápido, continuo y a distancia del sistema.


• Ajuste de variables (caudal, presión, etc.).

• Características dinámica:

1. Tiempos cortos en arranque, paro e inversión.2. Tiempos cortos en cambios de velocidad.3. Control de aceleración.

• Requerimientos de precisión:

1. Mantener la velocidad constante.2. Parar en una posición determinada.3. Suministrar par a bajas velocidades

Sistema eléctrico de alimentación y motor

• Menor sobre intensidad de arranque.

• Posibilidad de ahorro de energía.

• Control del factor de potencia.

• Control de la inyección de armónicos.

• Menores esfuerzos mecánicos en el motor.

• Menor calentamiento

Para alcanzar estas características y prestaciones, es necesario tener presente que los accionamien-tos eléctricos presentan una naturaleza multidisciplinaria donde intervienen varias áreas del cono-cimiento, en la figura 18.2, se presentan algunas de estas áreas.

Figura 18.2: Multidisciplinaridad de las accionamientos eléctricos

18.2. ACCIONAMIENTO PARA MÁQUINAS ELÉCTRICAS 359

En este curso, estudiaremos las áreas del conocimiento más importantes para entender el funciona-miento, prestaciones, características e impacto sobre la carga y el sistema eléctrico de alimentación,de los accionamientos de máquinas eléctricas. Las aplicaciones de los accionamientos eléctricosson muy variadas, entre las principales encontramos:

Procesos industriales: agitadores, bombas, ventiladores, compresores, etc.

Maquinaria: cabrestantes, prensas, afiladores, molinos, etc.

Acondicionamiento de calor y frío industrial: bombas, sopladores, compresores, etc.

Industria del acero y del papel: elevación, grúas, rodillos, etc.

Transporte: ascensores, vehículos, trenes, metros, etc. Industria textil: telares, etc.

Industria del alimento: transporte, ventilación, empaquetado, etc.

Industria del petróleo, gas y minería

Residencial: bombas, congeladores, lava platos, lavadoras, etc.

Industria manufacturera.

Industrial Textil.


Capítulo 19

Sistemas Mecánicos


En este capítulo estudiaremos las ecuaciones que describen el comportamiento y característicasde los sistemas mecánicos más comunes de los accionamientos eléctricos. En la figura 19.1, sepresenta el esquema de un sistema mecánico lineal, donde fe es la fuerza actuante, fL la fuerzaresistente, M la masa del cuerpo y x la posición relativa a un eje de coordenadas.

Figura 19.1: Sistema mecánico lineal.

Aplicando las ecuaciones de movimiento en una dimensión podemos calcular:

La velocidad:

v(t) =dx(t)

dt(19.1)

La aceleración:

a =fe(t)− fL(t)

M=

fM(t)M

=d2x(t)

dt2 (19.2)

La potencia:

p(t) = fM(t) · v(t) (19.3)

361

362 CAPÍTULO 19. SISTEMAS MECÁNICOS

La energía cinética:

WM(t) =12

M · v(t)2 (19.4)

En la figura 19.2, se presenta el esquema de un sistema mecánico rotacional, donde f es la fuerzaactuante, la componente de peso (Mg) es la fuerza resistente, M la masa del cuerpo y ϕ la posiciónrelativa a un eje de coordenadas.

Figura 19.2: Sistema mecánico rotacional.

Aplicando las ecuaciones de movimiento circular, podemos calcular:

El par:

−→Te =

(−→fe −

−→fL

)×−→r (19.5)

donde:

fL = Mg · sin(β ) (19.6)

Debido a que la fuerza se aplica perpendicularmente a la barra el producto vectorial es máximo eigual a uno por la tanto el módulo de la ecuación 19.5, se reduce a:

Tr = ( fe− fL)r (19.7)

En un accionamiento eléctrico el par resultante Tr, se puede calcular de manera análoga. En lafigura 19.3, se presenta un esquema del sistema mecánico de un accionamiento eléctrico, dondeTees el par producido por el motor y Tmel par de la carga que se opone al movimiento, que estaconformado por el par de la carga mecánica y el par de fricción. En este caso el par resultante Tres:

Tr = Te−Tm (19.8)

19.1. ASPECTOS GENERALES 363

Figura 19.3: Sistema mecánico de un accionamiento eléctrico

La aceleración:

am =Tr(t)

(Jm + JL)=

Tr(t)Jeq

=d2ϕ(t)

dt2 =dωm(t)

dt(19.9)

donde:

Jm es el momento de inercia del motor.

JL es el momento de inercia de la carga.

Jeq es la inercia total del conjunto máquina carga.

La inercia de un cilindro sólido de masa "M" y de radio "r", se puede calcular como:

J =12

M · r2 (19.10)

La velocidad:

ωm(t) =dϕ(t)

dt= ωm(0)+

∫ t

0am(τ)dτ (19.11)

La posición:

ϕ(t) = ϕ(0)+∫ t

0ωm(τ)dτ (19.12)

La potencia:

p(t) = Tr(t) ·ωm(t) (19.13)

La energía cinética:

WM(t) =12

J ·ωm(t)2 (19.14)


19.2. Par de Fricción o Rozamiento

El par de fricción (Tf ) esta compuesto por tres componentes: la fricción estática, la fricción deCoulomb y la fricción viscosa. El par de fricción puede ser representado como:

Tf = Testtico +TCoulomb +Tviscosa = Testtico +TCoulomb + k ·ωm(t) (19.15)

Donde:

La fricción estática (Testtico) es debido a las diferencias del coeficiente dinámico al comenzarun movimiento, frecuentemente este término se desprecia.

La fricción de Coulomb (TCoulomb) es constante e independiente de la velocidad y es el pro-ducto del rozamiento entre sólidos.

La fricción viscosa (Tviscosa) corresponde a la característica de rozamiento entre sólidos ylíquidos y es proporcional a la velocidad.

En la figura 19.4, se presenta la característica del par de fricción de un accionamiento eléctrico.

Figura 19.4: Característica de fricción de un accionamiento eléctrico

19.3. Par de Torsión

Para acoples muy largos y finos entre la máquina eléctrica y la carga mecánica se pueden pro-ducir diferencias en las velocidades en ambos extremos del acople. Esta diferencia de velocidad

19.3. PAR DE TORSIÓN 365

Figura 19.5: Par de torsión

se traduce en un par de torsión (Tt) aplicado sobre el eje de rotación que tratara de deformarlo yproduce fluctuaciones o oscilaciones en el par de la máquina y en algunos casos puede producir lafractura del eje en los regímenes de aceleración y desaceleración. En la figura 19.5, se muestra unapresentación esquemática de este fenómeno.

El par de torsión en el eje se puede calcular como:

Ttorsin = K (ϕmot −ϕcarga) = K (ωmot −ωcarga)dtTtorsin = K∆ωdt (19.16)

donde:

∆ω = ωmot −ωcarga (19.17)

La aceleración del motor y la carga se puede calcular como:

dωmot(t)dt

=Te−Ttorsin

Jmot(19.18)

dωcarga(t)dt

=Ttorsin−Tm

Jcarga(19.19)

Calculando el par del motor de la ecuación 19.18, obtenemos:

Te = Jmotdωmot(t)

dt+Ttorsin (19.20)

Derivando la ecuación 19.20 y reemplazando ωmot de la ecuación 19.17, obtenemos:

dTe

dt= Jmot

d2∆ω(t)dt2 +

dTtorsin

dt(19.21)

Sustituyendo la definición del par de torsión 19.16 en la ecuación 19.21, obtenemos:


dTe

dt= Jmot

d2∆ω(t)dt2 +K∆ω(t) (19.22)

La ecuación característica de la expresión 19.22, es:

Jmots2 +K = 0 (19.23)

Esta ecuación característica tiene dos polos complejos conjugados, lo que ocasiona una respuestanatural oscilatoria en la velocidad. En la figura 19.6, se presenta un equivalente eléctrico de la figura19.5.

Figura 19.6: Equivalente eléctrico de la figura19.5

Si el valor de K tiende a infinito (∞), no aparece diferencia de velocidad entre la carga mecánica yel motor y se puede considerar una inercia equivalente (Jeq).

Jeq = Jmot + Jcarga (19.24)

19.4. Conversión Entre Sistemas Lineales y Rotatorios

En la figura 19.7, se presenta el esquema de una banda transportadora que relaciona un sistemalineal con el rotatorio de la máquina eléctrica.

La fuerza y velocidad lineal que debe suministrar el motor a la banda viene dado por la siguienteexpresión:

fe = Mdv(t)

dt+ fL (19.25)

v(t) = rωm (19.26)

donde:

r es el radio del rodillo de la banda donde se acopla el motor.

19.5. CAJA DE CAMBIO O ENGRANAJES 367

Figura 19.7: Esquema de una banda transportadora

M la masa transportada.

v(t) la velocidad lineal de la transportadora.

fL la fuerza resistente al movimiento.

ωm La velocidad angular del motor.

De la ecuación 19.25, se puede calcular el par mecánico entregado por el motor a la banda como:

Tm = r · fe = r2Mdv(t)

dt+ r · fL (19.27)

El par eléctrico total entregado por el motor es la superposición del par mecánico y el par requeridopara acelerar el motor.

Te = Jmdωm(t)

dt+ r2M

dv(t)dt

+ r · fL (19.28)

19.5. Caja de Cambio o Engranajes

LA caja de cambio o de engranajes es en la mecánico lo que un transformador es en la electricidad,su funcionamiento es análogo donde: el par es a la corriente y la velocidad es a la tensión. En lafigura 19.8, se presenta un esquema de caja de cambio con engranajes circulares ideal.


Figura 19.8: Esquema de una caja de cambios

En una caja de cambio la velocidad tangencial en los engranajes cilíndricos es igual, es decir:

r1ωmot = r2ωm (19.29)

Si consideramos la caja de cambios ideal, es decir sin pérdidas, la potencia entregada por un engra-naje es igual a la potencia del otro.

ωmot ·T1 = ωm ·T2 (19.30)

Donde:

T1 = Te− Jmotdωmot(t)

dt(19.31)

T2 = Tm + Jcargadωm(t)

dt(19.32)

De las expresiones 19.29 y 19.30, se obtiene la siguiente relación de la caja:

r1

r2=

ωm

ωmot=

T1

T2(19.33)

En conclusión si la velocidad se incrementa el par disminuye y si la velocidad disminuye el paraumenta.

Sustituyendo las expresiones 19.31 y 19.32 en la ecuación 19.30 y utilizando la relación de la cajade cambios 19.33, se obtiene:

Te−Tmr1

r2= Jmot

dωmot(t)dt

+r1

r2Jcarga

dωm(t)dt

(19.34)

Calculando la velocidad angular de la carga de la expresión 19.33, se obtiene:

19.6. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE OPERACIÓN DE UN ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO369

ωm = r1r2

ωmotdωmdt = r1

r2

dωmotdt

(19.35)

Si sustituimos el resultado de la ecuación 19.35 en la expresión 19.34, se obtiene:

Te−Tmr1

r2= Jmot

dωmot(t)dt

+(

r1

r2

)2

Jcargadωmot(t)

dt=

(Jmot +

(r1

r2

)2

Jcarga

)dωmot(t)

dt(19.36)

Donde:

Jeq = Jmot +(

r1

r2

)2

Jcarga (19.37)

19.6. Características Mecánicas de Operación de un Acciona-miento Eléctrico

19.6.1. Par acelerante

Definiendo el par acelerante (Ta) como la diferencia entre el par eléctrico y el mecánico referido almismo eje, un accionamiento eléctrico puede operar en tres regímenes de operación: aceleración siTa > 0, desaceleración si Ta < 0 y en régimen permanente si Ta = 0.

Ta = Te−Tm = Jeqdωmot(t)

dt(19.38)

19.6.2. Cuadrantes de Operación de un Accionamiento

En la figura 19.9, se presentan los cuadrantes de operación de un accionamiento eléctrico.


Figura 19.9: Cuadrantes de operación de un accionamiento eléctrico

Una máquina eléctrica funciona como motor cuando desarrolla un par en el mismo sentido que lavelocidad de giro. Si se desea que la velocidad de giro pueda invertirse el par ha de hacerlo también(cuadrantes I y III). Sea cual sea el sentido de marcha, si la máquina funciona como motor debeconsumir potencia activa del convertidor electrónico.

En muchas aplicaciones existen instantes de tiempo en los cuales la máquina eléctrica ha de de-sarrollar un par opuesto a la velocidad de giro (cuadrantes II y IV). Cuando la máquina eléctricadesarrolla un par opuesto a la velocidad de giro se dice que funciona en régimen de frenado. Eneste caso la potencia mecánica es negativa (cuadrantes II y IV).

Se desea reducir de forma rápida la velocidad de giro (por ejemplo cuando un tren llega a unaestación). En este caso la velocidad de giro en tracción tiene el mismo sentido que en frenado.La máquina pasaría del cuadrante I al cuadrante IV (o del III al II). Se desea retener un peso endescenso (un tren bajando una cuesta o un peso en una grúa en descenso). En este caso la velocidadde giro en tracción tiene sentido opuesto al de frenado. En tracción la máquina trabajaría en elcuadrante I y en frenado en el cuadrante II. En general el funcionamiento de la máquina en loscuadrantes II y IV se realiza durante tiempos breves (regímenes transitorios), aunque en algún casopodrían ser tiempos elevados (una vagoneta bajando una rampa prolongada).

En funcionamiento como freno la máquina eléctrica desarrolla un par opuesto a la velocidad y portanto recibe energía mecánica de la carga (el exceso de energía cinética entre dos velocidades o laenergía potencial de un peso en descenso). Para poder frenar se ha de poder convertir esta energíamecánica en otro tipo de energía. Caben tres posibilidades de conversión:

Convertirla en energía eléctrica y devolverla a la red en condiciones adecuadas (tensión yfrecuencia de red).

19.6. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE OPERACIÓN DE UN ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO371

Convertirla en energía eléctrica y disipar dicha energía en forma de calor en una resistencia.

Convertirla en calor en el interior de la máquina.

Lo más racional es devolver energía a la red, pero ello requiere un convertidor reversible, más caroque uno no-reversible. Para evaluar si vale la pena regenerar energía se ha de tener en cuenta quela energía mecánica puesta en juego depende del momento de inercia total del sistema mecánico(máquina eléctrica más carga), de la velocidad y del número de frenadas por hora, y por otra, laexistencia o no de consumidores cercanos que puedan usar dicha energía. En los trenes de largorecorrido los convertidores no son reversibles: el tren realiza pocas paradas y en general no existentrenes cercanos al que está frenando. Por el contrario, en los trenes de cercanías (o metros) serecupera la energía, ya que el tren efectúa numerosas paradas y existen muchas unidades en undeterminado tramo de vía.

El frenado eléctrico no siempre es necesario, y se puede recurrir a un freno mecánico o al frenadolibre. En ocasiones lo que se precisa es un frenado suave, de forma que la máquina desarrolle unpar en el mismo sentido del movimiento pero de valor inferior al demandado por la carga mecánicaque impida la frenada brusca (es el caso de cintas transportadoras o para evitar el golpe de ariete enválvulas).

19.6.3. Par Resistente

El par resistente que opone la carga a ser movida es, en general, una función de la velocidad degiro (en algunos casos también depende de la posición, como es el caso de un muelle). Los paresresistentes pueden ser clasificados en cuatro categorías:

Pares invariables con la velocidad (Tm = k0).

• Extrusoras, bombas y compresores de émbolo con presión constante: puede ser un paroscilante en el tiempo. Trabajan en un sólo cuadrante.

• Grúas (elevación): cuatro cuadrantes (en el II cuadrante en régimen transitorio). En elIII cuadrante para bajar a gran rapidez. Habitualmente tienen un contrapeso. Requie-ren un freno mecánico. El par que ofrecen es la suma de un término constante y unafricción viscosa, pero de forma simplificada se puede despreciar este último término,especialmente a bajas velocidades.

• Cintas transportadoras (transporte horizontal), trenes de laminación, cepillos, cilindrosde laminación, molinos de bolas, máquinas y herramientas con fuerza de corte constante(tornos) y en general mecanismos en los que prevalece el rozamiento sólido (guía quese traslada, carretilla).

• Cabestrante: se exige que el motor pueda desarrollar par nominal en reposo. Funcionaen los cuadrantes I y IV. El control ha de ser de par.

Pares linealmente dependientes de la velocidad (Tm = k1ωm).

• Calandrias con rozamiento viscoso (máquinas para alisado de tejidos y papel), exprimi-doras, lavadoras.


• Pulidoras

• Frenos de Foucault

Pares que dependen del cuadrado de la velocidad (Tm = k2ω2m).

• Bombas centrífugas, ventiladores, compresores de émbolo trabajando en una red abiertade tuberías. Trabajan en el primer cuadrante. Con una pequeña reducción de velocidadse puede variar mucho el caudal.

• Máquinas en las que predomina el efecto centrífugo

Pares que dependen inversamente de la velocidad (Tm = k3ωm

).

• Bobinadoras: posibilidad de oscilación del sistema mecánico. Enrollado (papel, hilo,otros).

La ecuación general de par resistente es:

Tm = k0 + k1ωm + k2ω2m +

k3

ωm(19.39)

En la figura 19.10, se presentan dos ejemplos de par resistente, para una función cuadrática y parauna inversamente proporcional a la velocidad en función de la velocidad angular.

(a) Cuadrática (b) Inversa

Figura 19.10: Características par resistente velocidad

Capítulo 20

Máquina de Corriente Continua

20.1. Principio de Funcionamiento

El principio de funcionamiento de las máquinas eléctricas rotativas es muy sencillo, y se basa enalineación de campos magnéticos entre un sistema fijo en el espacio denominado "estator" y unocon movilidad rotacional denominado "rotor". En la figura 20.1, se presenta un esquema de esteprincipio de funcionamiento en la figura 20.1(a) tenemos un imán en forma de "U" que producelíneas de campo magnético entre su norte y sur en dirección horizontal. Se introduce un imán enforma de "I", pivoteado en el centro para permitir su rotación con su norte y sur alineados conrespecto a la vertical. La atracción magnética entre el norte y sur de ambos imanes ocasiona un girode π/2 del imán pivoteado para alinear los polos magnéticos como se muestra en la figura 20.1(b).

(a) Pocición Inicial (b) Posición Final

Figura 20.1: Principio de funcionamiento de las máquinas eléctricas rotativas

Bajo este principio funcionan las máquinas eléctricas rotativas, pero en vez de utilizar imanes seutilizan electroimanes para aumentar la intensidad del campo magnético resultante. En una máqui-

373

374 CAPÍTULO 20. MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

na de corriente continua el imán en forma de "U" se remplaza con un circuito magnético como elmostrado en la figura 20.2, este circuito se alimenta desde una fuente de corriente continua pro-duciendo líneas de campo magnético sobre la horizontal. Adicionalmente, se destaca el sistema dealimentación del rotor a través de contactos deslizantes denominados "escobillas".

Figura 20.2: Esquema del circuito magnético del estator

El imán en forma de "i" se remplazara por el circuito magnético de la figura , este circuito estaconformado por dos bobinas de alimentación dispuestas una a π/2 de la otra.

Figura 20.3: Esquema del circuito magnético del rotor

Al introducir esta pieza en el circuito magnético de la figura 20.2, la bobina un se energiza a travésde los contactos deslizantes, produciendo un enlace de flujo en la pieza, ocasionando la apariciónde un norte y sur magnético en la vertical, el cual trata de alinearse con el producido por el enlacede flujo del estator en la horizontal. Este fenómeno ocasiona que la pieza de la figura 20.3 gireπ/2 con la finalidad de alinear los campos. Al girar el rotor la bobina 1 se desenergiza, mientras labobina 2 queda alimentada por los contactos deslizantes repitiéndose el proceso. En la figura 20.4,se ilustra el proceso que ocasiona que la máquina comience a rotar. El contacto entre las bobinasdel rotor y las escobillas de alimentación se denomina "delga" y el conjunto de estas conforman elcolector de la máquina.

20.2. MODELO DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA 375

(a) Posición 1 (b) Posición 2

Figura 20.4: Esquema de rotación de la máquina eléctrica

Si analizamos a las corrientes en las bobinas del rotor, se pude observar que la corriente por cadabobina que lo conforma, depende de la posición angular del rotor variando desde valores positivosa negativos, es decir, la corriente en las bobinas del rotor es alterna a una frecuencia eléctrica iguala la velocidad de rotación de la máquina (ωm). Esto se debe a que las escobillas en conjunto a lasdelgas, que conforman el colector de la máquina realizan un proceso de inversión mecánica de laalimentación del circuito de rotor.

Para que una máquina eléctrica produzca par promedio diferente de cero, se requiere por lo menosdos enlaces de flujo magnético (λ ) desfasados en tiempo y espacio. En la máquina de corrientecontinua el enlace de flujo del estator (λe) es continua y se encuentra espacialmente sobre la ho-rizontal, mientras que el enlace de flujo del rotor (λr) esta sobre la vertical y es alterno, de estasforma se cumple la condición necesaria para obtener par promedio diferente de cero.

En las máquinas de corriente continua generalmente al circuito de campo se denomina "Campo" yse representa con la letra " f ", mientras que el rotor se denomina "Armadura" y se representa con laletra "a". En la figura 20.5se observan las partes que conforman una máquina de corriente continu,su campo y armadura.

20.2. Modelo de la Máquina de Corriente Continua

En la figura 20.6, se presenta un esquema de una máquina de corriente continua, esta máquina estacompuesta por dos ejes eléctricos (armadura y campo) y un eje mecánico.


(a) Máquina DC

(b) Campo (c) Armadura

Figura 20.5: Máquina de corriente continua

Figura 20.6: Esquema de la máquina de corriente continua

20.2. MODELO DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA 377

Las ecuaciones generales que describen el comportamiento de la máquina de eléctricas rotativas sonlas de la fuerza electromotriz en los terminales eléctricos y la ecuación de Newton en los terminalesmecánicos:

[v] = [R] [i]+ p([L] [i])J dωm

dt = Te−Tm(20.1)

Donde:

p =ddt

La ecuación de los terminales eléctricos de la expresión21.1, se puede descomponer en:

[v] = [R] [i]+ [L] p[i]+ dθ

dtd

dθ[L] [i]

[v] =([R]+ [L] p+ dθ

dtd

dθ[L])[i]

(20.2)

En el caso de la máquina de corriente continua se tienen tantas ecuaciones eléctricas como termina-les eléctricos estén presentes en el circuito. Las ecuaciones del modelo de la máquina de corrientecontinua son:

[v fva

]=[

R f +L f p 0ωmL f a Ra +La p

][i fia

]J pωm = L f ai f ia−Tm

(20.3)

Donde:

Ra es la resistencia del devanado de armadura.

R f es la resistencia del devanado de campo.

La es la inductancia propia del devanado de armadura.

L f es la inductancia mutua del devanado de campo.

L f a es la inductancia mutua entre el devanado de campo y armadura

La expresión matricial 21.3, se puede escribir para cada uno de los circuitos como:

v f = R f i f +L fdi fdt

va = Raia +Ladiadt +ωmL f ai f

J dωmdt = L f ai f ia−Tm

(20.4)

En la figura 20.7, se presenta la presentación eléctrica de las ecuaciones eléctricas de la máquina decorriente continua. Algunos autores denominan a la inductancia mutua ente el devanado de campoy armadura (L f a) como "G". El término ωmL f ai f corresponde a la fuerza electromotriz inducida enla armadura de la máquina (E).


Figura 20.7: Modelo de la máquina de corriente continua

La expresión 21.4, es válida para cualquier tipo de alimentación y se le conoce como modelodinámico de la máquina de corriente continua. En régimen permanente con alimentación en tensióncontinua en los devanados de armadura y campo, es decir p = 0, el sistema de ecuaciones 21.4, sereduce a:

Vf = R f I fVa = RaIa +ωmGI f

L f aI f Ia = Tm

(20.5)

Al sistema de ecuaciones 21.5, se le conoce como el modelo en régimen permanente de la máquinade corriente continua.

20.3. Determinación de los Parámetros del Modelo de la Má-quina de Corriente Continua

Toda máquina eléctrica posee una placa de identificación en su chasis con la información de supunto nominal. Este punto es a aquel que el fabricante nos garantiza que la máquina alcanza sutemperatura de operación, sin deterioro de su vida útil. Generalmente, los datos de corriente sonlos más importantes debido a que determinan directamente el calentamiento de la máquina. Recor-demos que los equipos de baja tensión deben por normativa internacional estar aislados en un kilovoltio más dos veces su tensión de operación. Los datos que figuran en la placa son:

Tensión nominal del circuito de campo (Vf n).

Tensión nominal del circuito de armadura (Van).

Corriente nominal del circuito de campo (I f n).

Corriente nominal del circuito de armadura (Ian).

Potencia de salida en el eje de la máquina (Ps).

Velocidad mecánica nominal (ωmn).

20.4. TIPOS DE CONEXIÓN DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA 379

Generalmente, estos valores se encuentran dados en el sistema internacional de medida, "MKS",con la salvedad de la velocidad que viene dada es revoluciones por minuto. El factor de conversiónde [r.p.m.] a [rad/s] es:

ωm

[rad

s

]=

π

30ωm [r.p.m.] (20.6)

Otro factor importante en conocer es el de [hp] a [kW ], el cual se presenta en la expresión :

Ps [kW ] = 0,746Ps [hp] (20.7)

De los datos de placa se pueden calcular los parámetros del modelo de la máquina de corrientecontinua como:

R f =Vf n

I f n(20.8)

En =Ps

Ian(20.9)

G =En

ωnI f n(20.10)

Ra =Van−En

Ian(20.11)

Para determinar las inductancias propias del circuito de campo y armadura se realiza a partir de lamedición de la constante de tiempo de cada uno de los circuitos.

L f = R f τ f (20.12)

La = Raτa (20.13)

20.4. Tipos de Conexión de la Máquina de Corriente Continua

20.4.1. Conexión Independiente

En esta conexión los circuitos de armadura y campo se alimentan de fuentes continuas indepen-dientes generalmente de tensiones distintas (Vf 6= Va). El esquema eléctrico de esta conexión es elmostrado en la figura 20.7. En esta condición la corriente de armadura y campo se pueden calcular,utilizando las expresiones del sistema de ecuación 21.5, como:

I f =Vf

R f(20.14)


Ia =Va−GωmI f

Ra(20.15)

Sustituyendo las expresiones 21.20 y 21.40 en la ecuación del par eléctrico se obtiene:

Te = GI f Ia

Te = G[

V fR f

][Va−GωmVfR f

Ra

]Te = GV f

R f Ra

[Va−Gωm

V fR f

] (20.16)

Del resultado de la ecuación 21.41, se puede calcular el par de arranque de la máquina (Tarr) quecorresponde a velocidad mecánica igual a cero y la velocidad sincrónica (ωs) que corresponde apar eléctrico igual a cero.

Tarr =GV f Va

R f Ra(20.17)

ωs =Va R f

GV f(20.18)

En la figura 20.8, se presenta la curva par velocidad de la máquina de corriente continua en conexiónindependiente. La velocidad de operación para un requerimiento especifico de par mecánico seobtiene de la intersección de la característica de par mecánico y par eléctrico para una tensión dealimentación de armadura y campo especifica.

Figura 20.8: Curva par velocidad de la MCC en conexión independiente

Para controlar la velocidad de un accionamiento mecánico ante variaciones de carga, se puede variarla tensión de armadura o campo de forma de desplazar la curva de par velocidad a punto especifico


de velocidad. En la figura 20.9, se presenta como ante variaciones de la tensión de armadura lacaracterística de la figura 20.8, se desplaza en rectas paralelas, mientras que ante variaciones dela tensión de campo cambia su inclinación. A través, de las variaciones de la tensión de armaduray campo se puede controlar la velocidad de la máquina para un requerimiento de par mecánicoespecífico.

(a) Control de Tensión de Armadura

(b) Contral de Tensión de Campo

Figura 20.9: Control de velocidad de la MCC en conexión independiente


20.4.2. Conexión Paralelo

En esta conexión los circuitos de armadura y campo se alimentan de la misma fuentes continua(V = Vf = Va), la corriente que suministra esta fuente corresponde a la sumatoria de la corriente dearmadura y campo de la máquina. El esquema eléctrico de esta conexión es el mostrado en la figura20.10.

Figura 20.10: Modelo eléctrico de la MCC conexión paralelo

En esta condición la corriente de armadura y campo se pueden calcular, utilizando las expresionesdel sistema de ecuación 21.5, como:

I f =VR f

(20.19)

Ia =V −GωmI f

Ra(20.20)

Sustituyendo las expresiones 21.44 y 20.20 en la ecuación del par eléctrico se obtiene:

Te = GI f Ia

Te = G[

VR f

][V−GωmVR f

Ra

]Te = GV 2

R f Ra

[1−G ωm

R f

] (20.21)

Del resultado de la ecuación 20.21, se puede calcular el par de arranque de la máquina (Tarr) quecorresponde a velocidad mecánica igual a cero y la velocidad sincrónica (ωs) que corresponde apar eléctrico igual a cero.

Tarr =GV 2

R f Ra(20.22)

ωs =R f

G(20.23)


En la figura 20.11, se presenta la curva par velocidad de la máquina de corriente continua en cone-xión paralelo. La velocidad de operación para un requerimiento especifico de par mecánico seobtiene de la intersección de la característica de par mecánico y par eléctrico para una tensión dealimentación especifica.

Figura 20.11: Curva par velocidad de la MCC en conexión paralelo

Para controlar la velocidad de un accionamiento mecánico ante variaciones de carga, se puede variarla tensión de alimentación, de forma de desplazar la curva de par velocidad a punto especifico develocidad. En la figura 20.12, se presenta como ante variaciones de la tensión de alimentación lacaracterística de la figura 20.11, cambia su inclinación. En este caso al utilizar una sola fuente dealimentación se pierde un grado de libertad con respecto al control de la máquina en conexiónindependiente.


Figura 20.12: Control de velocidad de la MCC en conexión paralelo

20.4.3. Conexión Serie

En esta conexión los circuitos de armadura y campo se alimentan de la misma fuentes continua(V = Vf +Va), la corriente al estar conectados en serie es la misma para ambos circuitos (I = Ia =I f ). El esquema eléctrico de esta conexión es el mostrado en la figura 20.13.

Figura 20.13: Modelo eléctrico de la MCC conexión serie

En esta condición la corriente del circuito se pueden calcular como:

I = I f = Ia =V

R f +Ra +Gωm(20.24)

Sustituyendo las expresión 21.22 en la ecuación del par eléctrico se obtiene:


Te = GI f Ia = GI2

Te = GV 2

(R f +Ra+Gωm)2(20.25)

Del resultado de la ecuación 21.23, se puede calcular el par de arranque de la máquina (Tarr) quecorresponde a velocidad mecánica igual a cero como:

Tarr =GV 2(

R f +Ra)2 (20.26)

La velocidad sincrónica de esta máquina en la cual se alcanza par eléctrico igual a cero no estadefinida y tiende a infinito (ωs = ∞) ya que para esta velocidad se anula el resultado de la expresión21.23. En la figura 20.14, se presenta la curva par velocidad de la máquina de corriente continuaen conexión serie. La velocidad de operación para un requerimiento especifico de par mecánico seobtiene de la intersección de la característica de par mecánico y par eléctrico para una tensión dealimentación especifica.

Figura 20.14: Curva par velocidad de la MCC en conexión serie

Para controlar la velocidad de un accionamiento mecánico ante variaciones de carga, se puede variarla tensión de alimentación, de forma de desplazar la curva de par velocidad a punto especifico develocidad. En la figura 20.15. En este caso al utilizar una sola fuente de alimentación se pierde ungrado de libertad con respecto al control de la máquina en conexión independiente.


Figura 20.15: Control de velocidad de la MCC en conexión serie

20.5. Accionamiento de las Máquinas de Corriente Continua

Los accionamientos de la máquina de corriente continua deben presentar la característica de par,flujo y fuerza electromotriz en función de la velocidad, mostrada en la figura 20.16 para cada unode los cuadrantes de operación del convertidor electromecánico. En esta característica de acciona-miento el par se mantiene constante mientras la tensión de armadura alcanza su valor régimen, esteproceso se realiza limitando el valor de la corriente de armadura al nominal, mediante el control dela tensión.

20.5. ACCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA 387

Figura 20.16: Característica de accionamiento de la máquina de corriente continua

En la figura 20.17, se presenta el esquema de accionamiento de una máquina de corriente continuaen lazo cerrado con realimentación en corriente.

Figura 20.17: Accionamiento de la máquina de corriente continua.

La fuente de alimentación puede ser en corriente alterna o continua, el controlador de velocidadcombina las funciones de un controlador PI con limitación. Este accionamiento limita la corrienteen el circuito de armadura de la máquina a 1,5 veces la corriente nominal del devanado.

En las figuras 20.18 y 20.19 se presenta la respuesta de la maquina de corriente continua controladacon el esquema de la figura 20.17 ante una consigna de velocidad constante y toma de carga parauna máquina de corriente continua de 5 HP , con un rectificador monofásico controlado comoconvertidor, desde un sistema de 220V a frecuencia industrial de 60Hz.


Figura 20.18: Corriente de armadura y velocidad mecánica

Figura 20.19: Tensión de armadura y ángulo de disparo del rectificador

En las figuras 20.20 y 20.21 se presenta la respuesta de la maquina de corriente continua controladacon el esquema de la figura 20.17 ante una variación de velocidad para una máquina de corrientecontinua de 5 HP , con un chopper tipo “ A” como convertidor desde un sistema de corrientecontinua de 280V .

20.5. ACCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA 389

Figura 20.20: Corriente de armadura y velocidad mecánica


(a)

(b) Detalle

Figura 20.21: Tensión de armadura y razón de conducción del chopper

Capítulo 21

Máquina de Inducción

21.1. Modelo en Vectores Espaciales

La máquina de inducción se clasifica de acuerdo a su tipo de rotor en: Bobinado o Jaula de Ar-dilla. Estos rotores se puede modelar con un embobinado trifásico. En la figura 21.1se presentaun diagrama de esta maquina y de sus tipos de rotor. En la figura 21.2, se presenta un diagramaesquemático un una máquina de inducción trifásica en el estator y rotor.

(a) Máquina de Inducción

(b) Rotor tipo jaula de ardilla (c) Rotor bobinado

Figura 21.1: Esquema de la máquina de inducción y de sus tipos de rotor

391

392 CAPÍTULO 21. MÁQUINA DE INDUCCIÓN

Figura 21.2: Esquema de la máquina de inducción trifásica

Despreciando los efectos del ranurado, excentricidades estáticas y dinámicas del rotor, corrientesde Eddy, el efecto de la saturación magnética y una distribución no sinusoidal de la fuerza mag-neto motriz, el modelo de la máquina de inducción trifásica se puede escribir matricialmente de lasiguiente forma:

[vevr

]=[

Re 00 Rr

][ieir

]+ p

([Lee LerLre Lrr

][ieir

])(21.1)

Te−Tm = J θ +α θ (21.2)

donde:

ve =[

vae vbe vce]t

vr =[

var vbr vcr]t

ie =[

iae ibe ice]t

ir =[

iar ibr icr]t

21.1. MODELO EN VECTORES ESPACIALES 393

Para evaluar cada uno de los términos que conforman la matriz de inductancia definida en la expre-sión 21.1, es necesario utilizar la siguiente definición.

Lk j = NkN j℘k j (21.3)

donde:

Lk j es la inductancia entre la bobina k y j.

Nk es el número de vueltas de la bobina k.

N j es el número de vueltas de la bobina j.

℘k j es la permeanza del circuito magnético entre ambos devanados.

Las matrices de inductancia son dependientes de la posición angular del rotor. Cada parámetro deinductancia de la ecuación 21.1, se obtiene en forma aproximada, superponiendo el efecto de lafluctuación de la permeanza del camino magnético, debido a las ranuras del rotor y estator sobrela distribución armónica espacial de las FMM de la máquina. La distribución espacial de la fuerzamagneto motriz puede ser considerada en la expresión de la inductancia. Por otra parte los coefi-cientes inductivos pueden también ser obtenidos excitando con corrientes unitarias un devanado dela máquina y calculando el enlace de flujo de todos lo devanados del convertidor electromecánicoutilizando las ecuaciones de Maxwell.

Considerando la expansión más simple en serie de Fourier para las inductancias mutuas estator -rotor, las matrices de inductancia y resistencia que definen el modelo de la máquina de inducción,puede escribirse de la siguiente forma:

R =[

Re 00 Rr

]=[

ReU 00 RrU

](21.4)

λ = L(θ)·i =[

Lee LerLre Lrr

][ieir

](21.5)

donde:

Lee = Le +Lσe = L′eS+L

′σeU

Lrr = Lr +Lσr = L′rS+L

′σrU

Ler = Ltre =L

′erC

Las matrices U, S, Cde las expresiones 21.4 y 21.5, corresponden a las matrices unitaria, simétricay cíclica respectivamente. A continuación, se definen cada una de estas matrices.

U =

1 0 00 1 00 0 1

(21.6)


S =

1 −12 −1

2−1

2 1 −12

−12 −1

2 1

(21.7)

C =

cos(θ) cos(θ + 2π

3

)cos(θ + 4π

3

)cos(θ + 4π

3

)cos(θ) cos

(θ + 2π

3

)cos(θ + 2π

3

)cos(θ + 4π

3

)cos(θ)

(21.8)

Para transformar el modelo dinámico de la máquina de inducción a vectores de secuencia positiva,es necesario realizar las siguientes operaciones vectoriales:

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

] 1 0 00 1 00 0 1

=

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

](21.9)

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

] 1 −12 −1

2−1

2 1 −12

−12 −1

2 1

=32

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

](21.10)

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]C =

= 12

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]e jθ

1 e j 2π

3 e j 4π

3

e j 4π

3 1 e j 2π

3

e j 2π

3 e j 4π

3 1

+ e− jθ

1 e j 4π

3 e j 2π

3

e j 2π

3 1 e j 4π

3

e j 4π

3 e j 2π

3 1

= 32e jθ

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

](21.11)

Aplicando la transformación de vectores espaciales 21.9 a la 21.11, se obtiene el modelo vectorialde la máquina de inducción:

[~ve~vr

]=[

Re 00 Rr

][~ie~ir

]+ p

([Le Lere jθ

Lere− jθ Lr

][~ie~ir

])[

~ve~vr

]=[

Re 00 Rr

][~ie~ir

]+ jωm

[0 Lere jθ

−Lere− jθ 0

][~ie~ir

]+[

Le Lere jθ

Lere− jθ Lr

]p[

~ie~ir

] (21.12)

Te = Lerℑm~ie(~ire jθ

)∗(21.13)

donde:

Le = L′σe +

32

L′e

21.1. MODELO EN VECTORES ESPACIALES 395

Lr = L′σr +

32

L′r

Ler =32

L′er

Para reducir el sistema de ecuaciones 21.12, se multiplica la ecuación del rotor por e jθ , con lafinalidad de proyectar esta corriente a un eje de referencia solidario con el estator:

[~ve

~vre jθ

]=[

Re 00 Rre jθ

][~ie~ir

]+ jωm

[0 Lere jθ

−Lere− jθ e jθ 0

][~ie~ir

]+[

Le Lere jθ

Lere− jθ e jθ Lre jθ

]p[

~ie~ir

][

~ve~vre jθ

]=[

Re 00 Rr

][~ie

e jθ~ir

]+ jωm

[0 Ler

−Ler 0

][~ie

e jθ~ir

]+[

Le LerLer Lr

][p~ie

e jθ p~ir

](21.14)

Definiendo:

~ver = ~vre jθ (21.15)

~ier =~ire jθ (21.16)

Se puede redefinir el sistema de ecuaciones 21.14 como:

[~ve~ve

r

]=[

Re 00 Rr

][~ie~ier

]+ jωm

[0 Ler

−Ler 0

][~ie~ier

]+[

Le LerLer Lr

][p~ie

e jθ p~ir

](21.17)

Derivando la expresión 21.16, se obtiene:

p~ier = p(~ire jθ

)= p~ire jθ + jωm~ire jθ ⇒ p~ire jθ = p~ier − jωm~ier (21.18)

Sustituyendo la expresión 21.18, en el sistema 21.17, se obtiene el modelo de la máquina de induc-ción en vectores espaciales referido al estator:


[~ve~ve

r

]=[

Re 00 Rr

][~ie~ier

]+ jωm

[0 Ler

−Ler 0

][~ie~ier

]+[

Le LerLer Lr

][p~ie

p~ier − jωm~ier

][

~ve~ve

r

]=[

Re 00 Rr

][~ie~ier

]+ jωm

[0 Ler

−Ler 0

][~ie~ier

]+[

Le LerLer Lr

][p~iep~ier

]− jωm

[Le LerLer Lr

][0~ier

][

~ve~ve

r

]=[

Re 00 Rr

][~ie~ier

]+[

Le LerLer Lr

]p[

~ie~ier

]− jωm

[0 0

Ler Lr

][~ie~ier

]

(21.19)

Te = Lerℑm~ie(~ier)∗

(21.20)

En la figura 21.3, se presenta el circuito equivalente del modelo vectorial de la máquina de induc-ción en referencia al eje del estator. Este modelo es válido en condiciones de operación dinámicas,estado estacionario y armónicas. El par electromecánico se obtiene directamente de la expresión decoenergía en el campo.

Figura 21.3: Modelo en vectores espaciales de la máquina de inducción referido al estator

21.2. Modelo en Régimen Sinusoidal Permanente

Al aplicar un sistema de tensiones trifásicas, balanceadas de secuencia positiva a los devanados delestator, con las bobinas de rotor en cortocircuito se obtienen los siguientes vectores espaciales.

21.2. MODELO EN RÉGIMEN SINUSOIDAL PERMANENTE 397

~ve =√

23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]√2V

cos(ωet)cos(ωet− 2π

3

)cos(ωet− 4π

3

)

~ve = 12

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]√2V

e jωet

1e j 4π

3

e j 2π

3

+ e− jωet

1e j 2π

3

e j 4π

3

~ve = 32

√23

√2Ve jωet =

√3Ve jωet = Vee jωet

(21.21)

~ie =√

23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]√2Ie

cos(ωet−β )cos(ωet−β − 2π

3

)cos(ωet−β − 4π

3

)

~ie = 12

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]√2Ie

e j(ωet−β )

1e j 4π

3

e j 2π

3

+ e− j(ωet−β )

1e j 2π

3

e j 4π

3

~ie = 32

√23

√2Iee jωete− jβ =

√3Iee− jβ e jωet = Iee jωet

(21.22)

~vr = 0 (21.23)

~ir =√

23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]√2Ir

cos((ωe−ωr) t−ν)cos((ωe−ωr) t−ν− 2π

3

)cos((ωe−ωr) t−ν− 4π

3

)

~ir = 12

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]√2Ir

e j((ωe−ωr)t−ν)

1e j 4π

3

e j 2π

3

+ e− j((ωe−ωr)t−ν)

1e j 2π

3

e j 4π

3

~ir = 32

√23

√2Ire j(ωe−ωr)te− jν =

√3Ir e− jν e j(ωe−ωr)t = Ire j(ωe−ωr)t

(21.24)

Sustituyendo los resultados de las expresiones 21.21 a la 21.24, en el sistema de ecuaciones dife-renciales 21.12, se obtiene:


[Vee jωet

0

]=[

Re 00 Rr

][Iee jωet

Ire j(ωe−ωr)t

]+ p

([Le Lere jθ

Lere− jθ Lr

][Iee jωet

Ire j(ωe−ωr)t

])[

Vee jωet

0

]=[

Re 00 Rr

][Iee jωet

Ire j(ωe−ωr)t

]+ jωr

([0 Lere jθ

Lere− jθ 0

][Iee jωet

Ire j(ωe−ωr)t

])+[

Le Lere jθ

Lere− jθ Lr

]p[

Iee jωet

Ire j(ωe−ωr)t

][

Vee jωet

0

]=[

Re 00 Rr

][Iee jωet

Ire j(ωe−ωr)t

]+ jωr

([0 Lere jθ

Lere− jθ 0

][Iee jωet

Ire j(ωe−ωr)t

])+[

Le Lere jθ

Lere− jθ Lr

]p

[jωe(Iee jωet)

j (ωe−ωr)(

Ire j(ωe−ωr)t) ][

Ve0

]=[

Re 00 Rr

][Ie

Ire− jωrt

]+([

0 jωrLere jθ

− jωrLere− jθ 0

][Ie

Ire− jωrt

])+[

jωeLe j (ωe−ωr)Lere jθ

jωeLere− jθ j (ωe−ωr)Lr

]p[

IeIre− jωrt

][

Ve0

]=[

Re 00 Rr

][Ie

Ire− jωrt

]+[

jωeLe jωeLere jθ

j (ωe−ωr)Lere− jθ j (ωe−ωr)Lr

][Ie

Ire− jωrt

](21.25)

Definiendo el deslizamiento de la máquina de inducción como la diferencia de velocidad angulareléctrica y mecánica en por unida de la velocidad angular eléctrica.

s =ωe−ωr

ωe(21.26)

Dividiendo la ecuación del rotor de la expresión 21.25 entre el deslizamiento de la máquina deinducción y multiplicándola por e jθ , se obtiene el modelo de la máquina de inducción en régimensinusoidal permanente:

[Ve0

]=[

Re 00 Rr

s

][Ie

Ire− jωrt

]+[

jωeLe jωeLere jθ

jωeLere− jθ jωeLr

][Ie

Ire− jωrt

](21.27)

Como ωrt = θ , la expresión 21.27 se puede reducir al multiplicar la ecuación del rotor por e jθ .

[Ve0

]=[

Re 00 Rr

s e jθ

][IeIr

]+[

jωeLe jωeLere jθ

jωeLer jωeLre jθ

][IeIr

][

Ve0

]=[

Re 00 Rr

s

][Ie

Ire jθ

]+[

jXe jXerjXer jXr

][Ie

Ire jθ

] (21.28)

Para encontrar la ecuación de Par eléctrico en régimen sinusoidal permanente, se sustituirá losresultados de las expresiones 21.22 y 21.24 en la ecuación de par eléctrico 21.13:


Te = Lerℑm√

3Iee− jβ e jωet(√

3Ire− jνe j(ωe−ωr)te jθ)∗

Te = Lerℑm√

3Iee− jβ e jωet(√

3Ire jνe− j(ωe−ωr)te− jθ)

Te = Lerℑm

3Iee− jβ (Ire jν)Te = 3LerIeIrℑm

e− jβ (e jν)

Te = 3LerIeIr sin(ν−β )

(21.29)

En la figura 21.4, se presenta el circuito equivalente del modelo en régimen sinusoidal permanentede la máquina de inducción.

Figura 21.4: Modelo en régimen sinusoidal permanente de la máquina de inducción

21.2.1. Equivalente Thévenin

A partir del circuito equivalente de la figura 21.4, se puede calcular el par eléctrico de la máquinade inducción como:

Te =3

ωe

∣∣∣Ire jθ∣∣∣2 Rr

s(21.30)

Una forma rápida para calcular la corriente del rotor es realizar un equivalente Thévenin de la má-quina vista desde el rotor a fin de reducir el circuito equivalente a una solo malla. En la figura 21.5,muestra el equivalente planteado para el circuito de la figura 21.4. En la figura 21.6, se presenta elcircuito equivalente luego de realizado el Thévenin.


Figura 21.5: Equivalente Thévenin propuesto de la máquina de inducción

Figura 21.6: Equivalente Thévenin de la máquina de inducción

En la figura 21.6, Vth y Zth, corresponden a:

Vth = VejXer

Re + jXe= Ve

jωeLer

Re + jωeLe(21.31)

Zth = Rth + jXth = j (Xr−Xer)+ (X2er−XeXer)+ j(ReXer)

Re+ jXe

Zth = jωe (Lr−Ler)+ω2

e (L2er−LeLer)+ jωe(ReLer)

Re+ jωeLe

(21.32)

Del circuito de la figura 21.6, se puede calcular la corriente en el rotor como:

Ire jθ =Vth(

Rth + Rrs

)+ jXth

(21.33)

Reemplazando la expresión de la corriente del rotor 21.33, en la ecuación de par eléctrico 21.30, seobtiene:

Te =3

ωe

∣∣Vth∣∣2(

Rth + Rrs

)2+X2

th

Rr

s(21.34)


21.2.2. Característica Par Deslizamiento

En la figura 21.7, se presenta la característica de par deslizamiento para un máquina de inducción,generada a partir de la expresión 21.34. En la característica el deslizamiento s = 1, corresponde avelocidad mecánica igual a cero, es decir con la maquina detenida. Los deslizamientos de operaciónde la máquina de inducción están entre el tres y cinco por ciento.

Figura 21.7: Curva par deslizamiento de la máquina de inducción

21.2.3. Par Eléctrico Aproximado

Deslizamientos cercanos a uno (s→ 1)

Para deslizamientos cercanos a la unidad se puede aproximar la ecuación de par eléctrico 21.34, ala siguiente expresión:

Te ≈3

ωe

∣∣Vth∣∣2

R2th +X2

th

Rr

s(21.35)

En la figura 21.8, se presenta una comparación entre los resultados de la expresión 21.34 y 21.35para deslizamientos cercanos a uno. Esta aproximación del par eléctrico en torno a esta región deoperación se denomina Par de la Zona No Lineal.


Figura 21.8: Curva par deslizamiento zona no lineal

Deslizamientos cercanos a cero (s→ 0)

Para deslizamientos cercanos a cero, es decir de operación, se puede aproximar la ecuación de pareléctrico 21.34, a la siguiente expresión:

Te ≈3

ωe

∣∣Vth∣∣2 s

Rr(21.36)

En la figura 21.9, se presenta una comparación entre los resultados de la expresión 21.34 y 21.36para deslizamientos cercanos a cero. Esta aproximación del par eléctrico en torno a esta región deoperación se denomina Par de la Zona Lineal.

21.3. PARÁMETROS DEL MODELO 403

Figura 21.9: Curva par deslizamiento zona lineal

Par Máximo

De la expresión 21.34, se puede calcular el par máximo de la máquina de inducción en régimenpermanente y el deslizamiento al cual se alcanza este par, como:

Temax =3

ωe

∣∣Vth∣∣2√

R2th +X2

th

(21.37)

sTemax=

Rr√R2

th +X2th

(21.38)

21.3. Parámetros del Modelo

Al igual que la maquina de corriente continua, la máquina de inducción presenta una placa deindentificación de su punto nominal de operación en su chasis con los siguientes datos:

Tensión nominal línea a línea de los devanados del estator.

Corriente nominal de los devanados del estator.

Tipo de conexión (Delta o estrella).

Factor de potencia nominal.


Potencia de salida en el eje.

Aislación.

A diferencia de la máquina de corriente continua los datos de placa son insuficientes para deter-minar los valores de los parámetros que describen el modelo, por eso s necesario realizar pruebaspara determinar por lo menos tres puntos de operación de la máquina y a través de métodos deminimización obtener los parámetros. Para un diseño rápido pueden utilizar los valores típicos enpor unidad (p.u.) de la máquina que son:

Tabla 21.1: Valores en por unidad de la máquina de inducciónParámetro Valor [p.u]

Xe 3,1Xr 3,1Xer 3,0Re 0,03Rr 0,01

Para encontrar los valores en el sistema físico de las resistencias y reactancias de la máquina, bastautilizar la expresión:

Z[Ω] =V 2

L−L

STZ[p.u.] (21.39)

21.4. Clasificación NEMA

La National Electrical Manufacture Association (NEMA) de los Estados Unidos, ha clasificado lasmáquinas de a cuerdo a su característica par velocidad en función de la resistencia de rotor de lamáquina de inducción. En la figura 21.10, se presenta la característica par velocidad de la máquinade inducción de acuerdo a la clasificación NEMA.

21.5. ACCIONAMIENTOS DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN 405

Figura 21.10: Clasificación NEMA de la máquina de inducción

Las máquina con clasificación A se caracterizan por tener bajo par de arranque y baja resistencia derotor lo cual aumenta su eficiencia a bajo deslizamiento. La máquina tipo B se utiliza en conjuntocon los variadores de velocidad, su valores de par de arranque y corriente son iguales que la tipo Apero esta máquina es mas eficiente al trabajar con altos deslizamientos de operación, generalmenteesta característica se obtiene al utilizar rotores tipo jaula de ardilla con barras profundas. La má-quina Tipo C y D se caracterizan por altos pares de arranque y alta resistencia de rotor lo cual lahace menos eficiente para deslizamientos pequeños comparadas con las otras clasificaciones. Másrecientemente se ha introducido en el mercado la máquina tipo E que posee las ventajas de la tipoA y B pero es de mayor eficiencia.

21.5. Accionamientos de la Máquina de Inducción

Algunos accionamientos mecánicos regulados con máquina de inducción requieren poseer una res-puesta dinámica ante variaciones de la señal de consigna. Al mismo tiempo es necesario reducirel efecto de las perturbaciones, como variaciones del par mecánico, sobre el funcionamiento delaccionamiento. En general sistemas de baja inercia presentan este tipo de requerimiento. Un ejem-plo claro de la necesidad de una buena respuesta dinámica, así como de un control que reflejefielmente el comportamiento dinámico del sistema, es el de un servomecanismo. Con el modeloen régimen permanente de la máquina de inducción, estos objetivos no se pueden alcanzar debi-do a que las estrategias de control que consideran este modelo, no se tiene en cuenta la respuestadinámica de la máquina. Para mejorar estos esquemas de control es necesario considerar mode-los dinámicos de la máquina de inducción para realizar las acciones de control sobre las variableseléctricas instantáneas que definen el par eléctrico, con el fin de mejorar las respuestas dinámicasdel accionamiento. En la figura 21.11, se presenta la característica de tracción y frenado que debesuministrar el accionamiento de un motor de inducción. En esta curva se mantiene el par constantehasta que la máquina alcanza una determinada velocidad (ωbase) y posteriormente se controla a


potencia constante, durante estas dos etapas se limita la corriente en los devanados del estator a unvalor constante. Finalmente la máquina se lleva a su punto de operación a deslizamiento constante.

Figura 21.11: Característica de tracción y frenado de un motor de inducción

21.5.1. Control Escalar

21.5.1.1. Arranca Suaves

El arranca suave es el más simple y económico método de control de velocidad de la máquina deinducción, en la figura 21.12, se presenta el esquema del puente convertidor.

Figura 21.12: Esquema del arranca suave

En la figura 21.13, se presenta el diagrama de control de un arranca suaves para motores de in-ducción. Este accionamiento consiste en regular la tensión efectiva a frecuencia fundamental delestator mediante el uso de un controlador AC - AC. Durante el arranque se limita la corriente en elestator controlado la tensión efectiva sobre los devanados de la máquina. Este accionamiento esti-ma la tensión efectiva de referencia del puente convertidor utilizando una curva de par vs. corrientea frecuencia industrial. Las máquinas que más se utilizan con este tipo de arrancador son la NEMAtipo D.


Figura 21.13: Esquema de control de un arranca suave

En la figura 21.14, se presenta en esquema de regualación de par y corriente al variar la tensiónde alimentación de la máquina de inducción con el arranca suave, la intersección de estas carac-terístivcas de par con el par resistenaci de la carga determina el pnto de operación del convertidorelectromecánico.

(a) Par (b) Corriente

Figura 21.14: Característica de par y corriente para una máquina de inducción accionada con unaarranca suave

21.5.1.2. Tensión - Frecuencia Constante

El primer controlador de velocidad de las máquinas de inducción y tal vez el más utilizado enla práctica hasta el presente, consiste básicamente en regular la fuente de alimentación, variandola frecuencia de las tensiones aplicadas a las bobinas del estator. La variación de la frecuenciaafecta proporcionalmente las reactancias de magnetización y dispersión en el circuito equivalente,pero las resistencias se mantienen aproximadamente constantes si el efecto pelicular no es muypronunciado. Para que la densidad de flujo magnético sea prácticamente constante, dentro de loslímites de diseño de la máquina, es necesario variar la amplitud de la tensión de alimentación enla misma proporción que se varía la frecuencia. Con esta estrategia la magnitud del par eléctricoobtenido en cada velocidad puede ser cercano, o incluso superior al par nominal.


En la figura 21.15, se presentan las características par eléctrico-velocidad angular del rotor parauna máquina de inducción alimentada mediante cuatro frecuencias diferentes, manteniendo cons-tante la relación entre la amplitud de la tensión de alimentación y la frecuencia. Incrementandopaulatinamente la frecuencia, es posible acelerar una carga mecánica a través de los puntos 1, 2, 3,hasta alcanzar el punto 4. Si la variación de la frecuencia es lenta en comparación con la inerciadel conjunto máquina carga mecánica, la corriente de la máquina en esta condición se reduce encomparación con un arranque directo a plena tensión.

Figura 21.15: Característica par eléctrico velocidad para una máquina de inducción con control detensión - frecuencia constante

El control tensión-frecuencia constante, permite mantener cualquier punto de operación intermedio,aumentar o reducir la velocidad mecánica de la máquina. Operando a bajas frecuencias, se incre-menta el par eléctrico de arranque, pero el par eléctrico máximo de la máquina es prácticamenteconstante, siempre y cuando las reactancias del circuito equivalente de la máquina en régimenpermanente sean mucho mayores que las respectivas resistencias.

Este controlador de velocidad requiere una fuente de alimentación alterna regulable en tensión yfrecuencia. Para esta función, en el pasado se empleaban máquinas sincrónicas reguladas en velo-cidad y corriente de campo. Esta solución trasladaba el problema de regulación al eje mecánico delgenerador sincrónico. Mediante los interruptores electrónicos de alta velocidad es posible diseñary construir fuentes de alimentación alternas reguladas en tensión y frecuencia. Los convertidoreselectrónicos de inversión fueron desarrollados durante la década de los treinta utilizando diversosdispositivos tales como: las válvulas de alto vacío con cátodos incandescentes, tiratrones o ignitro-nes. Esta tecnología evoluciona considerablemente durante las décadas de los setenta y ochenta conel auge de la electrónica de potencia y la aparición de los tiristores y transistores de alta potencia.

En la figura 21.16 se muestra el diagrama de un controlador de velocidad para un motor de induc-ción que utiliza el método de tensión - frecuencia constante. El sistema realimenta la velocidad o laposición del eje mecánico. Esta velocidad se compara con una referencia determinada por el usua-rio o por la aplicación. El error obtenido de la comparación entre las medidas y las referencias seutiliza para definir la frecuencia de operación del inversor y con la técnica de modulación definidapara el convertidor se determinan las señales de encendido y apagado de las componentes semicon-ductores del puente. Algunos puentes convertidores regulan la tensión de la barra de continua a finde no modular la tensión sobre la máquina con el inversor, esto simplifica el control del inversor aexpensa de utilizar un rectificador controlado o un chopper en la barra de corriente continua.


Figura 21.16: Variador de velocidad por control de tensión - frecuencia constante.

En la figura 21.17, 21.18 y 21.19 se presenta la respuesta del esquema de la figura 21.16 al seguiruna consigna de velocidad, para una máquina de inducción de 3HP alimentada con un puenteinversor de un pulso por semi ciclo, desde un sistema trifásico de 220V a frecuencia industrial de60Hz. La conversión AC-DC se realiza con un rectificador no controlado trifásico.

Figura 21.17: Velocidad mecánica, par y tensión de la barra de continua para el accionamiento detensión frecuencia constante


(a)

(b) Detalle

Figura 21.18: Tensión y corriente en la fase “a” del motor de inducción para el accionamiento detensión frecuencia constante

En la figura 21.20, 21.21 y 21.22 se presenta la respuesta del esquema de la figura 21.16 al seguiruna consigna de velocidad, para una máquina de inducción de 3HP alimentada con un puenteinversor con control por SPWM, desde un sistema trifásico de 220V a frecuencia industrial de60Hz. La conversión AC-DC se realiza con un rectificador no controlado trifásico.


(a)

(b) Detalle

Figura 21.19: Tensión y corriente en la fase “a” de la fuente alterna para el accionamiento de tensiónfrecuencia constante


Figura 21.20: Velocidad mecánica, par y tensión de la barra de continua para el accionamiento detensión frecuencia constante con SPWM


(a)

(b) Detalle

Figura 21.21: Tensión y corriente en la fase “a” del motor de inducción para el accionamiento detensión frecuencia constante con SPWM


(a)

(b) Detalle

Figura 21.22: Tensión y corriente en la fase “a” de la fuente alterna para el accionamiento de tensiónfrecuencia constante con SPWM

21.5.1.3. Accionamiento a Deslizamiento Constante

El proceso de aceleración y frenado de la máquina de inducción se puede realizar controlando elpar eléctrico mediante la frecuencia de deslizamiento. Esto permite acelerar el convertidor con parconstante o variable, controlando la frecuencia de deslizamiento.


Para controlar el par de aceleración de la máquina es necesario mantener la relación tensión -frecuencia constante, esto con la finalidad de obtener una densidad de flujo magnético aproxima-damente constante.

La frecuencia de deslizamiento debe estar limitada a un valor máximo que asegure el funciona-miento de la máquina de inducción en un punto estable de la característica par eléctrico velocidadmecánica y además permita limitar las corrientes durante el proceso de aceleración a un consumoigual a la capacidad de sobrecarga del equipo de potencia. En la figura 21.23, se presenta el esque-ma de un accionamiento que mantiene el deslizamiento constante. En este esquema la frecuencia deoperación del inversor se determina a partir de la velocidad mecánica del rotor y del deslizamientode referencia, mientras la tensión de referencia se calcula del error de velocidad. El control de latensión se puede realizar con el inversor a través de técnicas de modulación o con un rectificadorcontrolado o un chopper conectado en la barra de corriente continua.

Figura 21.23: Variador de velocidad a deslizamiento constante

21.5.2. Control Vectorial por Campo Orientado

Aplicando la teoría de auto valores y auto vectores a la matriz de inductancia obtenida del modelode la máquina de inducción en vectores espaciales 21.12, se pueden encontrar dos transformacionesde variables genéricas. Una transformación que refiere las variables del rotor al estator y la otrarefiere las variables del estator al rotor.

Utilizando la transformación que refiere las variables del rotor al estator y escogiendo los coeficien-tes adecuados para anular la influencia de la derivada de las corrientes del estator en la ecuacióndel rotor, se obtiene la transformación a Vectores de Campo Orientado.

~im =~ie +Lr

Ler~ire jθ (21.40)

Proyectando las ecuaciones de la máquina de inducción del sistema 21.12 en un sistema de dos ejescoordenados ortogonales, uno solidario con la dirección de la variable transformada ~im y el otro encuadratura a esta dirección, se obtiene el modelo en campo orientado de la máquina de inducción.


vde = Reide + Le(

pide +δ iqs)+

L2er

Lrpim (21.41)

vqe = Reiqe + Le(

piqe +δ ids)+

L2er

Lrpδ im (21.42)

pim =1

Tm(ide− im) (21.43)

p(δ −θ) =1

Tm

iqe

im(21.44)

Donde:

Le = Le−Ler

Lr

Tr =Lr

Rr

En el modelo por campo orientado, el par eléctrico depende del producto de la corriente de magne-tización y de la componente en cuadratura de la corriente del estator. Los sistemas de control porcampo orientado se fundamentan en la posibilidad de ajustar el valor de estas dos variables.

Te =L2

erLr

iqeim (21.45)

Tal como sucede en las máquinas de corriente continua, en las máquinas de inducción el circui-to de campo tiene una constante de tiempo relativamente lenta. Por esta razón resulta ventajosomantener la corriente de magnetización en el valor máximo posible, para incrementar la velocidadde respuesta del sistema. La corriente de magnetización se controla mediante el ajuste de la com-ponente directa de la corriente del estator. En régimen permanente estas dos corrientes tienen elmismo valor.

El principal problema de los controladores por campo orientado consiste en adecuar el valor de lascorrientes o tensiones de alimentación a sus valores en variables transformadas. La transformacióndirecta e inversa entre las coordenadas primitivas y las coordenadas de campo orientado dependende la posición instantánea del vector espacial de la corriente de magnetización ~im. Esto presentaun problema importante al diseñar este tipo de controlador, debido a que no resulta simple medir oestimar este ángulo. La medición requiere incluir sensores especiales en la máquina. Estimar estaposición requiere la integración en tiempo real del sistema de ecuaciones diferenciales que modelanla máquina de inducción. La primera solución es costosa y difícil de implementar en la practica.La segunda alternativa depende de la velocidad del estimador, de la exactitud del modelo y de lavariabilidad de los parámetros durante la operación. Por esta razón es conveniente la utilización deestimadores rápidos y precisos de las variables no medibles, entre los cuales encontramos las redesneurales y estimadores de estado. También es indispensable la estimación de los parámetros de la


máquina de inducción en tiempo real. Estas dos técnicas permiten una solución rápida y eficientepara la estimación de la posición de la corriente de magnetización.

En la figura 21.24 se muestra el esquema de un controlador de velocidad de una máquina de induc-ción en coordenadas de campo orientado donde se utiliza un inversor controlado por corriente pormodulación delta.

Figura 21.24: Controlador de velocidad en coordenadas de campo orientado.

El estimador de estado es el subsistema del controlador que permite determinar el valor de lasvariables no medibles de la máquina de inducción - par eléctrico y la posición y magnitud delvector espacial de la corriente de magnetización - en cada instante de tiempo a partir de la medicióndirecta de las tensiones y corrientes de las bobinas del estator y la velocidad mecánica del rotor.

El sistema de control utilizado parte de la comparación entre la velocidad del rotor de la máquinade inducción con una referencia determinada para generar un error de velocidad. Este error, esutilizado por un bloque proporcional integral PI, para producir una consigna de par eléctrico. Elpar eléctrico obtenido por el estimador de la máquina de inducción, se compara con la consignade par obtenida del PI. Este nuevo error se introduce en otro bloque PI para producir la consignade la componente cuadratura de la corriente de referencia ire f

qe . Simultáneamente se determina lacorriente de magnetización de referencia ire f

m , de acuerdo a la velocidad mecánica del rotor de lamáquina de inducción para evitar la saturación del material magnético y no exceder los límitestérmicos nominales. Al comparar la corriente de magnetización de referencia ire f

m , con la corrientede magnetización que se obtiene del estimador iest

m , se determina un error que se introduce a otrocontrolador PI, para producir la componente directa de la corriente de referencia ire f

de . Las corrientesire fde e ire f

qe se transforman a variables primitivas y como resultado se obtienen las corrientes dereferencia que el inversor debe seguir. En la figura 21.25, se presenta el diagrama de bloques delsistema de control propuesto.


Figura 21.25: Diagrama de bloques del controlador.

El bloque limitador de par es una protección para evitar que en condiciones transitorias, la máquinapueda exceder los límites térmicos y mecánicos de diseño. Además durante la operación de lamáquina, es conveniente que la corriente de magnetización se mantenga en el mayor valor posible,para incrementar la velocidad de respuesta del sistema. Cuando la máquina excede la velocidadsincrónica, es recomendable debilitar la corriente de magnetización para no exceder el límite depotencia nominal. Este valor límite viene dado por la corriente de magnetización de la máquinade inducción en vacío cuando se le aplica en bornes, la tensión nominal. La corriente nominal demagnetización está definida por el valor de la inductancia mutua estator - rotor.

Por esta razón, se incluye en el sistema de control un bloque limitador de la corriente de magne-tización en función de la velocidad mecánica de la máquina de inducción. Para deducir la funciónque describe el bloque limitador de la corriente de magnetización, se deber tener en cuenta lascondiciones de régimen permanente de la máquina de inducción.

i2e = i2de + i2qe = i2m + i2qe ⇒ iqe =√

i2e − i2m (21.46)

Sustituyendo la expresión de par eléctrico 21.45 en la ecuación 21.46 y multiplicando ambos miem-bros por la velocidad mecánica del rotor ωm se obtiene:

ωmTe =L2

erLr

√i2e − i2m imωm = Pe je (21.47)

Evaluando la expresión 21.47 en los valores nominales de la máquina de inducción, se puede encon-trar el valor de la velocidad a partir de la cual es conveniente debilitar la corriente de magnetización.

ωcritico =Pe jeLr

L2er imn

√i2e − i2m

=Pe jen

Ten

= ωmn (21.48)

A partir de ésta velocidad, se desea debilitar la corriente de magnetización para mantener la poten-cia constante. Reescribiendo la expresión 21.47 se obtiene:


ωmim√

i2e − i2m =Pe jenLr

L2er

= cte. (21.49)

Desarrollando la expresión 21.49 se obtiene la corriente de magnetización en función de la veloci-dad.

ire fm =

√2

2

√√√√i2en−

√i4en−

4P2e jen

L2r

L4erω

2m

(21.50)

La función que determina la referencia de la corriente de magnetización en función de la velocidadse ilustra en la figura 21.26.

Figura 21.26: Corriente de magnetización de referencia en función de la velocidad mecánica delrotor.

El principal problema del estimador de estado de las variables internas de la máquina es la variabi-lidad de los parámetros con la temperatura, la frecuencia y la saturación magnética. En particular elestimador por campo orientado, es muy sensible a variaciones de la constante de tiempo del rotorTr, debido a que influye directamente en la estimación de la magnitud y dirección instantánea delvector espacial de la corriente de magnetización. Los errores en la estimación de la verdadera posi-ción angular de la corriente de magnetización, producen errores en la transformación que permitedesacoplar el par eléctrico en dos componentes independientes.

Para solventar este problema es necesario la utilización de algoritmos de estimación paramétrica entiempo real que permitan ajustar los parámetros del estimador de estado de la máquina de inducciónante su variación durante la operación de la misma.

En la figura 21.27, 21.28 y 21.29 se presenta la respuesta del esquema de la figura 21.24 al seguiruna consigna de velocidad, para una máquina de inducción de 200HP alimentada con un puenteinversor, desde un sistema trifásico de 460V a frecuencia industrial de 60Hz. La conversión AC-DCse realiza con un rectificador no controlado trifásico.


Figura 21.27: Velocidad mecánica, par y tensión de la barra de continua para el accionamiento decampo orientado


(a)

(b) Detalle

Figura 21.28: Tensión y corriente en la fase “a” del motor de inducción para el accionamiento decampo orientado


(a)

(b) Detalle

Figura 21.29: Tensión y corriente en la fase “a” de la fuente alterna para el accionamiento de campoorientado

21.5.3. Control Vectorial Directo de Par y Flujo

Durante la década de los ochenta, Takahashi introduce una técnica avanzada de control escalar de-nominada control directo de par y flujo (DTC) o direct self-control (DSC), la cual suministra laconsigna de disparo para las componentes de un inversor en tensión. Esta técnica permite obte-


ner una característica dinámica del accionamiento comparable con la de otros accionamientos porcontrol vectorial. Recientemente, este esquema de control ha sido introducido comercialmente endiferentes convertidores de distintas industrias despertando un alto interés a nivel industrial. Esteesquema, como su nombre lo indica, se basa en el control del par eléctrico de la máquina y delflujo en el estator, a través de la selección del vector espacial de tensión más apropiado de unatabla, para seguir la referencia de estas señales. La información de disparo de las componentes delinversor para cada vector espacial de tensión está contenida en la tabla de control.

21.5.3.1. Expresión vectorial de par eléctrico y del enlace de flujo en el estator

La expresión 21.20 puede ser representada de forma más sencilla, a través del producto vectorialde la corriente del rotor y del estator como:

Te = Ler(iqeidr− ideiqr

)= Ler

(−→ier ×

−→ie)

(21.51)

El enlace de flujo del estator se puede obtener, a partir de la integración directa de la fuerza elec-tromotriz en los devanados del estator.

~λe =∫ (

~ve−Re~ie)

dt = Le~ie +Ler~ier (21.52)

donde:

−→xe =√

23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

][xae(t) xbe(t) xce(t)

]t∀x ∈ v, i,λ

(21.53)

−→xe =√

23 e− j π

6

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

][xabe(t) xbce(t) xcae(t)

]t∀x ∈ v

(21.54)

Para calcular el enlace de flujo del estator a partir de la integral de la expresión 21.52 es necesariorealizar la medición directa de la tensión y corriente en los terminales del estator.

Despejando el vector especial de la corriente del rotor de la expresión 21.52 y sustituyendo elresultado en la expresión 21.51, se obtiene el par eléctrico de la máquina de inducción en funcióndel vector espacial del flujo y la corriente del estator.

Te =−→λe ×

−→ie (21.55)

El único parámetro del modelo de la máquina de inducción involucrado en la estimación del pareléctrico instantáneo y del enlace de flujo del estator, es la resistencia del estator (Re). El errorintroducido en la estimación por la variación de este parámetro con la temperatura es despreciabley puede ser reducido utilizando métodos de estimación paramétrica en tiempo real.

El puente inversor trifásico genera ocho diferentes salidas de tensión, dependiendo la tensión enla barra de corriente continua y la conectividad de los seis interruptores estáticos que conforman.Utilizando la expresión 21.54 para cada una de estas posibles salidas, se puede encontrar el vectorespacial de tensión aplicado sobre los terminales del convertidor electromecánico.


−→ve =√

23 VDCe− j π

6

[(SwA−SwB)+(SwB−SwC)e j 2π

3 +(SwC−SwA)e j 4π

3

]−→ve =

√23VDC

[SwA +SwBe j 2π

3 +SwCe j 4π

3

]−→xe =

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]SwVDC

(21.56)

Donde, Sw es un vector que representa el estado de los interruptores del puente de dimensión 3x1.En este vector, el elemento "1" corresponde al encendido del interruptor superior, mientras que "0"indica el encendido del interruptor inferior de la misma rama. Seis de los vectores espaciales detensión poseen magnitud uniforme y se encuentran desfasados entre ellos. Los otros dos estadosestán asociados al vector espacial nulo.

21.5.3.2. Estrategia de control directo de par

En la figura 21.30, se presenta el diagrama en bloques del controlador directo de par. La magnituddel enlace de flujo y el par eléctrico de referencia son comparados con los estimados de la máquinade inducción, que se calculan a partir, de la corriente del estator, el vector de interrupciones delinversor y la tensión de la barra de continua. Los errores de par y flujo son procesados en doscomparadores de histéresis de tres y dos niveles respectivamente, a partir de estos resultados yde la posición angular del enlace de flujo del estator se determina el vector de interrupciones delinversor. El algoritmo del controlador directo de par se fundamenta en escoger el vector espacialde tensión que maximice el cambio necesario en el enlace de flujo del estator, para ajustar el pareléctrico a partir de la expresión 21.55.

Figura 21.30: Diagrama en bloques del controlador directo de par.

El controlador por histéresis del enlace de flujo posee dos salidas digitales de acuerdo al valor delerror en la magnitud del enlace de referencia y el estimado y de la banda de histéresis (HB

(−→λe)

)utilizada, de acuerdo a las siguientes expresiones:


HB(−→λe

) = 1 ∀ error∣∣∣−→λe

∣∣∣ > HB(−→λe

)HB(−→

λe

) = 0 ∀ error∣∣∣−→λe

∣∣∣ <−HB(−→λe

) (21.57)

donde: 2HB(−→λe

)corresponde al ancho de banda de histéresis del controlador. Este controlador al

mantener la magnitud del enlace de flujo del estator limitada a una banda de histéresis origina unatrayectoria circular del vector espacial del enlace de flujo del estator. Sustituyendo la expresión21.56 en la 21.52, se obtiene el vector espacial del enlace de flujo del estator en función de la salidadel puente inversor.

−→λe =

√23

[1 e j 2π

3 e j 4π

3

]SwVDC · t−Re ·

∫ −→ie dt +

−→λe

∣∣∣t=0

(21.58)

Considerando que las caídas de tensión en los devanados del estator son pequeñas, las variacionesen la dirección del enlace de flujo del estator

−→λe , son ocasionadas por la dirección del vector espacial

de tensión aplicado al convertidor. Es decir, una escogencia adecuada del vector espacial de tensiónaplicado a la máquina de inducción, determina un control sobre la magnitud y trayectoria del enlacede flujo del estator. En la figura 21.31 se puede observar la trayectoria del vector espacial del enlacede flujo del estator y la variación en el enlace de flujo del estator correspondiente a cada uno de losvectores espaciales de tensión del inversor para un instante de tiempo ∆t.

(a) (b)

Figura 21.31: (a) Trayectoria del vector especial del enlace de flujo del estator, (b) variación delenlace de flujo en función del vector espacial de tensión del inversor.

El controlador por histéresis del par eléctrico posee tres salidas digitales de acuerdo al valor delerror en la magnitud del par de referencia y el estimado y de la banda de histéresis (HB(Te)) utiliza-da, de acuerdo a las siguientes expresiones:


HB(Te) = 1 ∀ errorTe > HB(Te)HB(Te) =−1 ∀ errorTe < HB(Te)HB(Te) = 0 ∀ −HB(Te) < errorTe < HB(Te)

(21.59)

La estrategia del controlador directo de par, se fundamenta en ajustar el par eléctrico al de referen-cia, mediante el control de la magnitud y sentido de rotación del vector espacial del enlace de flujodel estator. Esta posibilidad de ajuste, define seis zonas de operación dependiendo de la posicióndel vector espacial del enlace de flujo del estator. Estas zonas de control coinciden con la localiza-ción de los vectores espaciales de tensión del inversor. Cada uno de estas seis zonas de control tieneun ancho de π/3 radianes y vienen dados por la expresión 21.60. En la figura 21.31 (a) se puedeobservar las seis zonas de operación .

(2N−3) · π

6≤ Z(n) ≤ (2N−1) · π

6(21.60)

En cada zona de operación, una escogencia adecuada del vector espacial de tensión permite incre-mentar o decrementar la magnitud del enlace de flujo del estator y alterar su sentido de rotación.Manteniendo las magnitudes de corriente y el enlace de flujo constante, se puede controlar el pareléctrico resultante, modificando el ángulo relativo entre el enlace de flujo y la corriente del esta-tor. Este ángulo relativo se puede variar controlando el sentido de rotación del vector espacial delenlace de flujo en el estator.

Por ejemplo, si el vector espacial del enlace de flujo se encuentra en la primera zona de operaciónZ(1), y se desea aumentar la magnitud del enlace, se debe aplicar sobre los terminales de la máquinael vector espacial de tensión−→v2 si el par de referencia es menor que la referencia o el vector espacial−→v6 si el par eléctrico es mayor que la referencia.

En la tabla 21.2 se presenta la secuencia de disparo del inversor para la estrategia de control directode par, a partir de la posición del enlace de flujo del estator, y la salida de los comparadores dehistéresis del flujo y par eléctrico. Con la finalidad de incrementar la velocidad de cambio del pareléctrico y magnitud del enlace de flujo, no se utiliza el vector espacial de tensión que se encuentradentro de la zona de localización del enlace de flujo, así como tampoco el localizado en la zonaopuesta.

Tabla 21.2: Secuencia de disparo del inversor para el controlador directo de par.

HB(−→λe)

HB(Te) Z(1) Z(2) Z(3) Z(4) Z(5) Z(6)

1 1 −→v2−→v3

−→v4−→v5

−→v6−→v1

1 0 −→v7−→v0

−→v7−→v0

−→v7−→v0

1 −1 −→v6−→v1

−→v2−→v3

−→v4−→v5

0 1 −→v3−→v4

−→v5−→v6

−→v1−→v2

0 0 −→v0−→v7

−→v0−→v7

−→v0−→v7

0 −1 −→v5−→v6

−→v1−→v2

−→v3−→v4

El estimador de par y flujo de la figura estimador de la figura 21.30, se basa en la utilización de lasexpresiones 21.55, 21.56 y 21.60 para el cálculo de las variables par, flujo y zona de operación.


Consideramos el ejemplo de la figura 21.31 (b), el enlace de flujo estimado se encuentra en la zonade operación Z(2) punto "A" y es mayor que la referencia (HB

(−→λe)

= 0) y adicionalmente, el pareléctrico es mayor a la referencia (HB(Te) =−1), para corregir esta situación es necesario, como seobserva en la tabla 21.2, aplicar el vector espacial de tensión −→v6 para desplazar el enlace de flujo alpunto "B". Este procedimiento es el utilizado por el control directo de par, para el ajuste del enlacede flujo del estator y del par eléctrico a los valores de referencia.

Las respuestas dinámicas de los accionamientos de la máquina de inducción que utilizan controldirecto de par, son comparables a los obtenidos con otros esquemas de control vectorial. La esti-mación del enlace de flujo de estator y del par eléctrico instantáneo sólo depende de la resistenciadel estator (Re), a diferencia de otros controladores vectoriales como el de campo orientado enlos que los estimadores, dependen de un conjunto mayor de parámetros del modelo de la máquinade inducción. Entre estos parámetros encontramos: las inductancias del estator, rotor y mutua delestator-rotor, la constante de tiempo del rotor, estos parámetros son fuertemente afectados durantela operación del convertidor electromecánico, por las variaciones del grado de saturación magnéti-ca y la temperatura. El efecto por variaciones de la temperatura sobre la resistencia del estator esdespreciable y puede ser corregida en línea con métodos de estimación paramétrica.

Entre las características del control directo de par tenemos:

No utiliza realimentación en corriente.

No utiliza el esquema tradicional de control por ancho de pulso.

Los controladores por histéresis del enlace de flujo del estator y del par eléctrico generan unrizado sobre estas variables.

La frecuencia de conmutación del puente inversor no es constante y depende de la banda dehistéresis de los controladores de par eléctrico y del enlace de flujo.

En la figura 21.32, 21.33 y 21.34 se presenta la respuesta del esquema de la figura 21.30 al seguiruna consigna de velocidad, para una máquina de inducción de 200HP alimentada con un puenteinversor, desde un sistema trifásico de 460V a frecuencia industrial de 60Hz. La conversión AC-DCse realiza con un rectificador no controlado trifásico.


Figura 21.32: Velocidad mecánica, par y tensión de la barra de continua para el accionamiento deDTC


(a)

(b) Detalle

Figura 21.33: Tensión y corriente en la fase “a” del motor de inducción para el accionamiento deDTC


(a)

(b) Detalle

Figura 21.34: Tensión y corriente en la fase “a” de la fuente alterna para el accionamiento de DTC

Capítulo 22

La Máquina Sincrónica

22.1. Introducción

Las máquinas de corriente continua y de inducción tienen un amplio rango de aplicaciones in-dustriales tales como tracción, bombeo, control y otros1. Sin embargo, la operación del sistemaeléctrico de potencia requiere la conversión de grandes cantidades de energía primaria2, en ener-gía y potencia eléctrica. La energía eléctrica puede ser transportada y convertida en otras formasde energía en forma limpia y económica. La máquina sincrónica es hoy por hoy, el convertidorutilizado más ampliamente para realizar esta tarea.

Dependiendo del sistema mecánico de accionamiento3, las máquinas sincrónicas pueden construir-se de rotor liso cuando deban operar en altas velocidades4, o con rotor de polos salientes cuandoson accionadas a menor velocidad. En la figura 22.1 se observan dos salas de máquinas de plantasde generación hidroeléctrica y térmica5.

Aun cuando un gran porcentaje de máquinas sincrónicas son utilizadas como generadores en lasplantas de producción de energía eléctrica, debido fundamentalmente al alto rendimiento que esposible alcanzar con estos convertidores6 y a la posibilidad de controlar la tensión, en numerosasocasiones se emplea industrialmente como elemento motriz. Como otros convertidores electrome-cánicos, la máquina sincrónica es completamente reversible y se incrementa día a día el númerode aplicaciones donde puede ser utilizada con grandes ventajas, especialmente cuando se controlamediante fuentes electrónicas de frecuencia y tensión variable. El principal inconveniente para suuso como motor es que no desarrolla par de arranque, pero si se incluye en el rotor de la máqui-na un devanado auxiliar de jaula de ardilla, es posible obtener par de aceleración como motor deinducción hasta una velocidad cercana a la de sincronismo, y excitar en el momento apropiado labobina del campo, con la finalidad de sincronizar la máquina a la red mediante los pares transitoriosadicionales que se obtienen durante este proceso. Si la fuente de alimentación puede reducir la fre-cuencia angular de las tensiones o corrientes de armadura a valores muy bajos, la máquina es capaz

1Condiciones todas de motorización o tracción de carga mecánica.2Petróleo, gas natural, agua, carbón, uranio, viento, oleaje, luz.3Tipo de turbina hidráulica, térmica, eólica, etc.43000 rpm a 50 Hz ó 3600 rpm a 60 Hz.5Guri y Tacoa en Venezuela y la planta nuclear Diablo Cayon en California.6Las máquinas de inducción no pueden producir par sin pérdidas en el rotor a diferencia de las máquinas sincrónicas

donde este requisito desaparece.

431

432 CAPÍTULO 22. LA MÁQUINA SINCRÓNICA

(a) Guri en Venezuela (b) Diablo Cayon en California

(c) Guri, estator en construcción (d) Tacoa en Venezuela

(e) Guri, casa de máquinas (f) Macagua, sala de máquinas

Figura 22.1: Plantas hidroeléctricas y térmicas

22.2. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA SINCRÓNICA 433

(a) Estator de la máquina sincrónica (b) Rotor de polos salientes

Figura 22.2: Partes de las máquinas sincrónicas

de sincronizarse a esa red y posteriormente ser acelerada al mismo tiempo que se incrementa paula-tinamente la frecuencia de la fuente. Como la construcción de fuentes de gran potencia controladasen frecuencia es hoy día factible mediante puentes inversores con interruptores estáticos, es posi-ble que en el futuro esta máquina incremente notablemente su importancia como accionamientoindustrial, e incluso desplace a las máquinas de corriente continua.

22.2. Descripción de la máquina sincrónica

La máquina sincrónica es un convertidor electromecánico de energía con una pieza giratoria deno-minada rotor o campo, cuya bobina se excita mediante la inyección de una corriente continua, y unapieza fija denominada estator o armadura por cuyas bobinas circula corriente alterna. Las corrientesalternas que circulan por los enrollados del estator producen un campo magnético rotatorio que giraen el entre hierro de la máquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura. El rotordebe girar a la misma velocidad del campo magnético rotatorio producido en el estator para que elpar eléctrico medio pueda ser diferente de cero. Si las velocidades angulares del campo magnéticorotatorio y del rotor de la máquina sincrónica son diferentes, el par eléctrico medio es nulo. Por estarazón a esta máquina se la denomina sincrónica; el rotor gira mecánicamente a la misma frecuenciadel campo magnético rotatorio del estator durante la operación en régimen permanente. En la figura22.2(a) y (b), se observa el estator y rotor de una máquina sincrónica de polos salientes.

Durante la operación de la máquina sincrónica en régimen permanente, la velocidad mecánica delrotor es igual a la velocidad angular del campo magnético rotatorio producido por el estator. Enestas condiciones, sobre los conductores o bobinas del campo no se induce fuerza electromotriz.Para producir fuerza magnetomotriz en el rotor es necesario inyectar corriente en esta bobina me-diante una fuente externa. De esta forma se obtienen dos campo magnéticos rotatorios que girana la misma velocidad, uno producido por el estator y otro por el rotor. Estos campos interactúanproduciendo par eléctrico medio y se realiza el proceso de conversión electromecánica de energía.De acuerdo con la expresión ??, la condición necesaria, pero no suficiente, para que el par mediode la máquina sea diferente de cero es:

ωe = p ·ωm (22.1)


(a) Modelo elemental demostrativo

(b) Esquema básico

Figura 22.3: Esquema básico de una máquina sincrónica trifásica de polos salientes

donde:

p es el número de pares de polos de la máquina sincrónica.

La bobina del rotor o campo de la máquina sincrónica se alimenta mediante la inyección de corrien-te continua, como se mencionó anteriormente, con la finalidad de producir un campo magnético demagnitud constante, semejante al de un imán permanente, pero de una intensidad mucho mayor.Debido a que el rotor de la máquina gira en régimen permanente a la velocidad sincrónica, el cam-po magnético constante producido en este sistema se comporta, desde el punto de vista del estator,como un campo magnético rotatorio. En la figura 22.3 se ha representado el esquema básico de unamáquina sincrónica trifásica de polos salientes.

Para evaluar la magnitud del par en una máquina sincrónica se puede recordar la expresión ??:

Te = k ·FrFe sinδ (22.2)

donde:

22.3. MODELO DE LA MÁQUINA SINCRÓNICA 435

k es una constante de proporcionalidad que depende de la geometría de lamáquina y de la disposición física de las bobinas.

Fe es la amplitud de la distribución sinusoidal de la fuerza magnetomotriz delestator.

Fr es la amplitud de la distribución sinusoidal de la fuerza magnetomotriz delrotor.

δ es el ángulo entre las amplitudes de las dos fuerzas magnetomotrices,conocido generalmente como ángulo de carga.

Las fuerzas magnetomotrices del estator Fe, y del rotor Fr tienen una amplitud constante y paraque en la expresión 22.2 el par medio resulte constante, es necesario que el ángulo δ entre las dosfuerzas magnetomotrices sea constante en el tiempo durante la operación en régimen permanente.Para lograr esto, las dos fuerzas magnetomotrices deben girar a la misma velocidad angular.

Cuando la máquina sincrónica se encuentra desequilibrada, el campo magnético rotatorio producidopor las bobinas del estator es elíptico. Este campo se puede descomponer en dos campos magnéticosrotatorios circulares de sentidos contrarotativos. Para que sea posible la producción de par eléctricomedio en estas condiciones, es necesario que la velocidad del rotor esté sincronizada con uno delos dos campos magnéticos contrarotativos. El campo que está fuera de sincronismo y gira en elsentido contrario del rotor, produce par eléctrico transitorio, pero su valor medio es cero.

Si se cortocircuita la bobina de campo en el rotor de la máquina sincrónica, es posible en ciertoscasos acelerar el rotor como si fuera un motor de inducción con rotor devanado. En el campo seinducen fuerzas electromotrices con la frecuencia del deslizamiento cuando el campo magnéticorotatorio del estator corta a los conductores del campo. La fuerza electromotriz inducida en elrotor fuerza la circulación de corrientes por este devanado. Aun cuando el par eléctrico puede sermuy reducido, en algunas ocasiones este método puede ser utilizado para arrancar en la máquinasincrónica sin cargas mecánicas acopladas.

22.3. Modelo de la máquina sincrónica

Analizando el comportamiento de los ejes eléctricos de la máquina sincrónica en el sistema decoordenadas correspondiente a las bobinas reales o físicas, se satisface el siguiente sistema deecuaciones: [

vabc, f]=[Rabc, f

][iabc, f

]+

ddt

[λabc, f

](22.3)

En los sistemas lineales, la relación entre las corrientes que circulan por las bobinas y los enlacesde flujo que las enlazan vienen dados por la relación:[

λabc, f (θ , i)]=[Labc, f (θ)

][iabc, f

](22.4)

Sustituyendo esta relación en la expresión 22.3 se obtiene el resultado siguiente:

[vabc, f

]=

[Rabc, f

][iabc, f

]+[Labc, f

] ddt

[iabc, f

]+

dθ

dtddt

[Labc, f

][iabc, f

]=

=[Rabc, f

][iabc, f

]+[Labc, f

]p[iabc, f

]+ θ ·

[τabc, f

][iabc, f

](22.5)


El sistema de ecuaciones diferenciales 22.5 representa el comportamiento dinámico de las bobinasde la máquina sincrónica en coordenadas primitivas. Este sistema se expresa en forma canónicacomo:

p[iabc, f

]=[Labc, f

]−1[vabc, f]−[[

Rabc, f]+ θ ·

[τabc, f

]][iabc, f

](22.6)

La matriz de inductancia[Labc, f

]depende de la posición relativa θ del rotor con respecto al estator,

por esta razón la matriz de transición de estado también depende de la posición angular del rotor.Si la velocidad de la máquina es constante, la posición angular del rotor es:

θ = θ0 +ωmt (22.7)

La solución del sistema 22.6 puede obtenerse mediante métodos numéricos de integración, utilizan-do algoritmos tales como Euler, Runge-Kutta o Adams entre muchos otros. El principal inconve-niente que se presenta es la necesidad de evaluar e invertir la matriz de inductancias de la máquinaen cada paso de integración, debido a la dependencia de esta matriz con la posición angular delrotor. Los computadores personales actuales son capaces de resolver este problema, aun cuando enel pasado estos cálculos representaba grandes dificultades. Por este motivo durante varias décadasse desarrollaron transformaciones de coordenadas que simplifican el problema, aceleran notable-mente los cálculos y permiten interpretar más fácilmente el comportamiento dinámico y estático dela máquina sincrónica.

Durante los períodos transitorios, la velocidad angular de la máquina cambia y la posición angulardel rotor es una nueva variable de estado que debe ser evaluada para determinar su dependenciatemporal. En este caso es necesario incorporar una ecuación adicional al sistema 22.6 para deter-minar el comportamiento dinámico del eje mecánico de la máquina:

12[iabc, f

]t [τabc, f

][iabc, f

]−Tm = J θ +αθ (22.8)

Esta expresión representa el balance del par eléctrico y mecánico en el eje del rotor. El par ace-lerante es igual al par eléctrico del convertidor, menos el par resistente opuesto por la carga y porlas pérdidas mecánicas. La ecuación diferencial 22.8 puede ser expresada mediante dos ecuacionesdiferenciales de primer orden:

ωm = 1J

(12

[iabc, f

]t [τabc, f

][iabc, f

]−Tm−αθ

)θ = ωm

(22.9)

donde:

J es el momento de inercia del rotor,

Tm es el par mecánico resistente,

α es el coeficiente de fricción dinámica

El sistema de seis ecuaciones diferenciales formado por las cuatro ecuaciones del sistema 22.6,y las dos ecuaciones mecánicas representadas por la expresión 22.9, definen el comportamientodinámico y transitorio completo de la máquina sincrónica de la figura 22.3. Este sistema de ecua-ciones diferenciales es no lineal y los coeficientes son variables en el tiempo, por este motivo es

22.3. MODELO DE LA MÁQUINA SINCRÓNICA 437

necesario recurrir a técnicas numéricas para evaluar el comportamiento de la máquina o simplificarel problema mediante la técnica de transformación de coordenadas.

En la matriz de inductancia de la máquina sincrónica, se encuentra toda la información necesariapara determinar su comportamiento. En la matriz de inductancia se resume la información sobrela disposición geométrica de las bobinas, sus acoplamientos, números de vueltas y reluctancias delos diferentes caminos magnéticos. Una vez conocida la matriz de inductancias se puede evaluar lamatriz de par calculando la derivada parcial de esta matriz con respecto a la posición angular delrotor. La matriz de inductancias de la máquina sincrónica esquematizada en la figura 22.3 posee lasiguiente estructura: [

Labc, f (θ)]=[

[Lee(θ)] [Ler(θ)][Lre(θ)] L f

](22.10)

[Lee(θ)] =

Laa(θ) Mab(θ) Mac(θ)Mba(θ) Lbb(θ) Mbc(θ)Mca(θ) Mcb(θ) Mcc(θ)

;[Le f (θ)

]=[L f e(θ)

]t =

Ma f (θ)Mb f (θ)Mc f (θ)

donde:

e es subíndice referido a las bobinas del estator,

f es el subíndice referido a las bobinas del campo,

a,b,c son los subíndices de las tres bobinas físicas del estator.

Cada una de las inductancias de la máquina sincrónica se puede representar como una función delángulo θ . Esta función es periódica porque se repite nuevamente cada vez que el rotor realiza ungiro completo. Esta propiedad permite representar estas funciones mediante expansiones en seriesde Fourier, con el ángulo θ como variable. Si la pieza polar se diseña convenientemente7, es posiblerepresentar las inductancias de la máquina con un número reducido de los términos de la serie. Laexpresión de la matriz de inductancias más simple consiste en considerar términos dependienteshasta en 2θ , para las inductancias estator-estator y términos en θ para las inductancias estator-rotor.

La inductancia del rotor L f , es independiente de la posición θ del rotor debido a que el estator dela máquina es aproximadamente liso8. El resto de las inductancias propias y mutuas depende de laposición angular θ , si el rotor de la máquina es de polos salientes. Las permeanzas de los caminosmagnéticos de las bobinas del estator y de los acoplamientos estator-rotor son dependientes de laposición angular θ . Cuando la pieza polar del rotor se encuentra alineada con una de las bobinasdel estator, el camino magnético posee la máxima permeanza. Si la pieza polar se encuentran encuadratura con la bobina, el entre hierro es muy grande y disminuye la permeanza. La variación dela permeanza depende del ángulo 2θ porque una bobina alineada con el polo norte del rotor tieneel mismo camino magnético cuando el alineamiento ocurre con el polo sur. Estas inductancias sepueden representar aproximadamente mediante las siguientes funciones:

Laa(θ) = L1e +M2e cos2θ + · · · (22.11)

Lbb(θ) = L1e +M2e cos2(θ − 2π

3)+ · · · (22.12)

7Variando el entre hierro para producir una densidad de campo magnético distribuido sinusoidalmente.8Para esta consideración es necesario despreciar el efecto de las ranuras del estator.


Lcc(θ) = L1e +M2e cos2(θ − 4π

3)+ · · · (22.13)

Mab(θ) = Mba(θ) =−M1e−M2e cos2(θ +π

6)+ · · · (22.14)

Mac(θ) = Mca(θ) =−M1e−M2e cos2(θ − π

6)+ · · · (22.15)

Mbc(θ) = Mcb(θ) =−M1e−M2e cos2(θ − π

2)+ · · · (22.16)

donde9:

Ld ≡32

(L1e +M2e) ; Lq ≡32

(L1e−M2e) ; Ld f ≡√

32

Me f (22.17)

L1e =Ld +Lq

3; M2e =

Ld −Lq

3(22.18)

M1e 'L1e

2(22.19)

En lo que se refiere a los acoplamientos mutuos estator-rotor la funcionalidad de las inductancias esdiferente porque al girar el rotor 180, la bobina del campo invierte su polaridad. Las inductanciasdel estator varían entre un valor máximo y un mínimo, siempre positivo respecto a la posición an-gular del rotor. Sin embargo, los acoplamientos mutuos estator-rotor varían entre un valor máximopositivo hasta un valor máximo negativo, que en valor absoluto son idénticos, cuando el rotor dela máquina gira 180. Las inductancias mutuas entre el estator y el rotor pueden ser aproximadasmediante las siguientes funciones:

Ma f (θ) = M f a(θ) = Me f cosθ + · · · (22.20)

Mb f (θ) = M f b(θ) = Me f cos(θ − 2π

3)+ · · · (22.21)

Mc f (θ) = M f c(θ) = Me f cos(θ − 4π

3)+ · · · (22.22)

Si el rotor de la máquina sincrónica es liso, todas las inductancias del estator son independientesde la posición del rotor. En esta situación la matriz de inductancias

[Labc, f (θ)

], se expresa de la

siguiente forma:

[Labc, f (θ)

]=

L1e M1e M1e Me f cosθ

M1e L1e M1e Me f cos(θ − 2π

3 )M1e M1e L1e Me f cos(θ − 4π

3 )Me f cosθ Me f cos(θ − 2π

3 ) Me f cos(θ − 4π

3 ) L f

(22.23)

Aun para el caso de una máquina sincrónica de rotor liso, la solución del sistema de ecuacionesdiferenciales que determina el comportamiento de la máquina sincrónica requiere el uso de métodosnuméricos, debido a la dependencia de las inductancias mutuas entre el estator y el campo, con laposición θ del rotor. El modelo de la máquina sincrónica de rotor liso o de polos salientes sepuede obtener mediante transformaciones del sistema de coordenadas. La transformación a vectoresespaciales y la transformación a coordenadas dq0, introducidas en el tema II.

9En este caso la aproximación se debe a que la dispersión de la bobina no está siendo considerada. La dispersiónpuede ser considerada en el modelo como si estuviese conectada externamente a los bornes de la máquina.

22.4. TRANSFORMACIÓN A VECTORES ESPACIALES 439

22.4. Transformación a vectores espaciales

Para aplicar la transformación de vectores espaciales a las ecuaciones 22.5 y 22.8 que representanel comportamiento de la máquina sincrónica en coordenadas primitivas es conveniente expresar porseparado las ecuaciones del estator y del rotor:

[ve] = [Re] [ie]+ p[Lee] [ie]+

[Le f]

i f

(22.24)

v f = R f i f + p[

L f e][ie]+L f i f

(22.25)

Aplicando esta transformación de vectores espaciales a la expresión 22.24, se obtienen el siguienteresultado:

ve = Reie + p

(L1e +M1e) ie +

32

M2ee j2θ i∗e +

√32

Me f e jθ i f

(22.26)

donde:

ve =

√23(va +αvb +α

2vc)

(22.27)√23[

1 α α2 ] [Re] [ie] = Reie (22.28)√23[

1 α α2 ] [Lee] [ie] =

=

√23[

1 α α2 ] · · · ·· · · ·

L1e −M1e −M1e−M1e L1e −M1e−M1e −M1e L1e

+M2e

cos2θ −cos2(θ + π

6 ) −cos2(θ − π

6 )−cos2(θ + π

6 ) cos2(θ − 2π

3 ) −cos2(θ − π

2 )−cos2(θ − π

6 ) −cos2(θ − π

2 ) cos2(θ − 4π

3 )

[ie] =

(L1e +M1e) ie +32

M2ee j2θ i∗e =

=12(Ld +Lq) ie +

12(Ld −Lq)e j2θ i∗e (22.29)√

23[

1 α α2 ][Le f]

i f =

√32

Me f e jθ i f = Ld f e jθ i f (22.30)

Reemplazando las definiciones de los vectores espaciales en la ecuación 22.25, se obtiene:

v f = R f i f + p

Ld f

[e jθ i∗e + e− jθ ie

2

]+L f i f

(22.31)

El par eléctrico es:

Te =12[iabc, f

]t [τabc, f

][iabc, f

]=

12

[ie]t [τee] [ie]+ [ie]

t [τe f]

i f =


= jM2e

2[ie]

t

e j2θ

−1 e− j π

3 e j π

3

e− j π

3 −e− j 4π

3 e− jπ

e j π

3 e− jπ −e− j 8π

3

− e− j2θ

−1 e j π

3 e− j π

3

e j π

3 −e j 4π

3 e jπ

e− j π

3 e jπ −e j 8π

3

[ie]+ · · ·

· · ·+ jMe f

2[ie]

t

e jθ

1e− j 2π

3

e− j 4π

3

− e− jθ

1e j 2π

3

e j 4π

3

i f =

=34 j

M2e

(e− jθ ie)2− (e jθ i∗e)

2

+ jMe f

2

√32

e jθ i∗e − e− jθ ie

i f =

=12(Ld −Lq)ℑm

(e− jθ ie)2

+Ld f ℑm

e− jθ ie

i f (22.32)

Las expresiones 22.26, 22.31 y 22.32 modelan la máquina sincrónica utilizando vectores espacia-les. La principal ventaja de esta transformación consiste en la reducción de las tres ecuaciones delestator a una sola en variable compleja. Por otra parte, aun cuando la dependencia angular en θ semantiene en este sistema de coordenadas, las correspondientes expresiones han sido simplificadasconvenientemente al utilizar los términos e± jθ . En la expresión 22.32 correspondiente al par eléc-trico pueden observarse dos componentes: el par de reluctancia y el par producido entre las fuerzasmagnetomotrices del estator y del campo.

22.5. Transformación a coordenadas rotóricas

Para eliminar la dependencia en θ existente en el modelo de la máquina sincrónica en vectoresespaciales, es posible referir las variables del estator al sistema de referencia del rotor, el cualse encuentra exactamente en la posición θ con respecto al sistema solidario con el estator. Poresta razón es posible multiplicar la ecuación del estator por e− jθ para referir estas ecuaciones a unsistema de coordenadas sincronizado con el eje del campo. Este nuevo sistema de coordenadas esconocido como ejes d y q. El eje directo d apunta en la misma dirección que el eje del campo f .El eje cuadratura q se encuentra a 90 en adelanto con respecto al eje d. De esta forma se puedenintroducir las siguientes definiciones:

vdqe ≡ vd + jvq = vee− jθ (22.33)

idqe ≡ id + jiq = iee− jθ (22.34)

Derivando la expresión 22.34 se obtiene la relación siguiente:

e− jθ pie = pid + jpiq + jθ idqe (22.35)

Al multiplicar la ecuación 22.26 por el término de rotación e− jθ , se obtiene:

e− jθ ve = Reiee− jθ + e− jθ p

12(Ld +Lq) ie +

12(Ld −Lq)e j2θ i∗e +Ld f e jθ i f

⇒

vdqe = Reidq

e +12(Ld +Lq)

(pidq

e + jθ idqe

)+

12(Ld −Lq)

(pidq∗

e + jθ idq∗e

)+Ld f

(pi f + jθ i f

)(22.36)

22.6. TRANSFORMACIÓN DE PARK 441

Descomponiendo la expresión 22.36 en parte real y parte imaginaria, resulta:

vd = Reid + p(Ldid +Ld f i f

)− θLqiq = Reid + pλd − θλq (22.37)

vq = Reiq + p(Lqiq

)+ θ

(Ldid +Ld f i f

)= Reiq + pλq + θλd (22.38)

Realizando transformaciones semejantes en la ecuación 22.31, se obtiene el resultado siguiente:

v f = R f i f + p

Ld f

2

[idqe +

(idqe

)∗]+L f i f

=

v f = R f i f + p(L f i f +Ld f id

)= R f i f + pλ f (22.39)

Finalmente transformando las variables espaciales de la expresión 22.32 correspondiente al pareléctrico, se obtiene:

Te =12(Ld −Lq)ℑm

(idq

e )2

+Ld f ℑm

e− jθ ie

i f =

=(Ld −Lq

)idiq +Ld f iqi f = λdiq−λqid = λ

dqe × idq

e (22.40)

El sistema de ecuaciones diferenciales que determina el comportamiento dinámico de la máquinasincrónica se puede expresar de la siguiente forma:

vd = Reid + pλd −ωλqvq = Reiq + pλq +ωλdv f = R f i f + pλ f

J ω = λdqe × idq

e −Tm(ω)

(22.41)

donde:

λd = Ldid +Ld f i f ,

λq = Lqiq,

λ f = L f i f +Ld f id ,

λdqe = λd + jλq.

22.6. Transformación de Park

En la máquina sincrónica, el campo magnético rotatorio producido por las fuerzas magnetomotricesde los devanados estatóricos, gira a la velocidad sincrónica ωe. El rotor de la máquina también giraa la velocidad sincrónica ωr = ωe. Por esta razón es conveniente referir las ecuaciones diferencialesque definen el comportamiento de la máquina a un sistema de coordenadas solidario con el rotor.De acuerdo con estos lineamientos se definen los siguientes ejes magnéticos:

Eje d : Gira con respecto al estator a la velocidad del rotor, y en todo momento se encuentracolineal con el eje magnético del campo.


Eje q : Rota con respecto al estator a la velocidad del rotor, y en todo momento se encuentraen cuadratura con el eje magnético del campo.

Eje 0 : Fijo en el estator y se encuentra desacoplado magnéticamente del resto de los ejes dela máquina.

Eje f : Solidario con el sistema rotórico y colineal con el eje magnético de la bobina de campo.

Aun cuando los ejes d y q giran a igual velocidad que el rotor, estos ejes representan variables delestator. El eje 0 es necesario para permitir que la transformación de coordenadas sea bidireccional,es decir, se pueda transformar de variables primitivas a variables dq0 y viceversa. El eje 0 tieneuna estrecha relación con las variables de secuencia cero de la transformación de componentessimétricas. En la práctica el eje 0 permite representar flujos de dispersión que no están acopladoscon otras bobina de la máquina. En la figura 22.3(b) se ha representado el sistema de coordenadasdq0− f .

La matriz de transformación de coordenadas dq0− f a coordenadas primitivas se define mediantela relación: [

iabc, f]= [A]

[idq0, f

](22.42)

Si la transformación anterior se escoge de tal forma que la matriz [A] sea hermitiana10, la transfor-mación es conservativa en potencia. Cuando la matriz es hermitiana y real, se obtiene:[

idq0, f]= [A]−1 [iabc, f

]= [A]t

[iabc, f

](22.43)

La matriz de transformación [A] se puede obtener multiplicando la transformación de coordenadasprimitivas a coordenadas ortogonales αβ011, por la transformación de coordenadas αβ0 a coorde-nadas dq012: ia

ibic

=

√23

1 0 1√

2

−12

√3

21√2

−12 −

√3

21√2

iα

iβi0

(22.44)

iαiβi0

=

cosθ −sinθ 0sinθ cosθ 0

0 0 1

idiqi0

(22.45)

iaibic

=

√23

cosθ −sinθ1√2

cos(θ − 2π

3

)−sin

(θ − 2π

3

) 1√2

cos(θ − 4π

3

)−sin

(θ − 4π

3

) 1√2

id

iqi0

(22.46)

La matriz de la expresión 22.46 se como transformación de Park. La transformación de coordenadasprimitivas abc, f a coordenadas dq0, f es:

idiqi0i f

=

√23

cosθ cos

(θ − 2π

3

)cos(θ − 4π

3

)0

−sinθ −sin(θ − 2π

3

)−sin

(θ − 4π

3

)0

1√2

1√2

1√2

0

0 0 0√

32

iaibici f

(22.47)

10Inversa de la matriz de transformación [A] igual a su traspuesta conjugada.11Transformación de Clark.12Rotación en θ introducida en el tema II.

22.6. TRANSFORMACIÓN DE PARK 443

La transformación de Park utilizada es hermitiana y por tanto es invariante en potencia:

p(t) =[vabc, f

]t [iabc, f]=[[A][vdq0, f

]]t [[A][idq0, f

]]=

=[vdq0, f

]t [A]t [A][idq0, f

]=[vdq0, f

]t [idq0, f]= p(t) (22.48)

Aplicando la transformación 22.47, al sistema de ecuaciones 22.5, se obtiene:[vdq0, f

]=[Rdq0, f

][idq0, f

]+[Ldq0, f

]p[idq0, f

]+ θ ·

[Gdq0, f

][idq0, f

](22.49)

donde: [Rdq0, f

]= [A]t

[Rabc, f

][A] (22.50)[

Ldq0, f]= [A]t

[Labc, f

][A] (22.51)[

Gdq0, f]=[τdq0, f

]+[Hdq0, f

]= [A]t

[τabc, f

][A]+ [A]t

[Rabc, f

] ddθ

[A] (22.52)

Por otra parte, la ecuación dinámica del movimiento se puede expresar de la siguiente forma:

Jθ +ρθ =12[idq0, f

]t [τdq0, f

][idq0, f

]−Tm (22.53)

Evaluando explícitamente las expresiones 22.50 a 22.52 y sustituyendo el resultado en las ecuacio-nes diferenciales 22.49 y 22.53 se obtiene:

vdvqv0v f

=

Re +Ld p −ωLq 0 Ld f p

ωLd Re +Lq p 0 ωLd f0 0 R0 +L0 p 0

Ld f p 0 0 R f +L f p

idiqi0i f

Jpω =

(Ld −Lq

)idiq +Ld f iqi f −ρω−Tm (22.54)

El modelo de la máquina sincrónica obtenido a partir de la transformación de vectores espacialesreferidos a las coordenadas del rotor 22.41 coincide con el modelo 22.54, obtenido aplicando latransformación de Park 22.51. La transformación a vectores espaciales 22.27 y la transformaciónde Clark 22.44 están íntimamente relacionadas. Lo mismo sucede entre la rotación 22.45 y referirlas variables espaciales del estator al sistema de coordenadas del rotor multiplicándolas por eltérmino e− jθ .

En un sistema trifásico sin neutro no circula corriente de secuencia cero, pero cuando las trescorrientes de fase encuentran un camino de retorno, es necesario considerar esta componente. Lacomponente de secuencia cero representa la circulación de corrientes iguales y en fase por lasbobinas de la máquina. Estas corrientes no producen magnetización debido a que la suma de lasfuerzas magnetomotrices de las tres bobinas es cero. Sin embargo, los flujos de dispersión si poseencomponente de secuencia cero. En el modelo de la máquina no existe acoplamiento magnéticode esta secuencia con el resto de las bobinas. Esta componente no puede producir par eléctrico,pero influye en las pérdidas de la máquina y en las fuerzas electromotrices sobre las bobinas. Enla expresión 22.54 no aparecen fuerzas electromotrices de generación sobre la bobina de campo.Esto se debe a que el sistema de coordenadas dq0 es solidario al eje f del campo. Los flujosde las bobinas d y q no cruzan tangencialmente a los conductores del campo. Sin embargo, en


Figura 22.4: Modelo en coordenadas dq0− f de la máquina sincrónica

este eje pueden aparecer fuerzas electromotrices por transformación, debido a que el flujo de labobina del eje directo atraviesa el devanado de campo. Por el contrario, el eje cuadratura no puedeproducir ningún efecto sobre el campo debido a que se encuentra permanentemente en una posiciónortogonal.

En la figura se presenta el modelo en coordenadas dq0− f que satisface las ecuaciones 22.54. Enla máquina real, las corrientes id e iq no circulan por ningún devanado físico, para determinar lascorrientes reales es necesario aplicar la transformación inversa de coordenadas dq0− f a coorde-nadas primitivas.

Cada pareja de escobillas separa las capas de corriente de las bobinas equivalentes. La fuerza elec-tromotriz de todos los conductores que forman cada una de las bobina se obtiene en bornes de lasescobillas. Cuando por un par de escobillas se inyecta una corriente, esta circula entrando a losconductores a la derecha del eje que define la posición de estas escobillas, y saliendo en los con-ductores a la izquierda. Esta configuración produce una fuerza magnetomotriz orientada en el ejede las escobillas tal como se muestra en la figura 22.4.

Las fuerzas electromotrices de generación que aparecen sobre los conductores se recolectan en loscircuitos que se encuentra en cuadratura con el flujo que las producen. El campo y la bobina deleje d producen generación sobre la bobina del eje q, y la bobina del eje q produce generaciónsobre el eje d, pero sobre la bobina de campo no se produce generación por que este devanadono es cortado por el flujo de los demás ejes. En el sistema de referencia utilizado, las fuerzaselectromotrices de generación aparecen adelantadas 90 con respecto a los flujos que las producen.Si en las bobinas primitivas se inyecta un sistema balanceado de corrientes trifásicas, se obtienenlas siguientes corrientes en el sistema de coordenadas dq0:

idiqi0

=

√23

cosθ cos(θ − 2π

3

)cos(θ − 4π

3

)−sinθ −sin

(θ − 2π

3

)−sin

(θ − 4π

3

)1√2

1√2

1√2

√2Ie

cos(ωt +α)cos(ωt +α− 2π

3 )cos(ωt +α− 4π

3 )

=

22.7. RÉGIMEN PERMANENTE 445 idiqi0

=√

3Ie

cos(θ −ωt−α)−sin(θ −ωt−α)

0

(22.55)

Si la posición angular θ del rotor se sincroniza13 con la variación angular de las corrientes en laexpresión 22.55, las corrientes en las coordenadas dq0 son independientes del tiempo. En esta con-dición, los términos que dependen de las derivadas de las corrientes se anulan. Corrientes constantesen el tiempo en este sistema de coordenadas, producen fuerzas magnetomotrices constantes en lasbobinas dq0 transformadas. Como la transformación está sincronizada con la velocidad angular delas corrientes durante el régimen permanente, el campo magnético producido por las bobinas d y q,gira con la misma velocidad y como resultado se obtiene el mismo campo magnético rotatorio de lamáquina sincrónica en coordenadas primitivas, excitada mediante un sistema trifásico balanceadode corrientes.

El par electromagnético de la máquina está determinado por la interacción entre fuerzas magneto-motrices no alineadas. Por una parte la fuerza magnetomotriz del campo produce par al interactuarcon el flujo de la bobina que representa al eje q. La fuerza magnetomotriz del eje d produce par ensu interacción con la fuerza magnetomotriz del enrollado cuadratura. Exactamente igual pero consentido contrario, la fuerza magnetomotriz del eje q produce par con la fuerza magnetomotriz deleje d. Si la reluctancia de los caminos magnéticos d y q son iguales, estos dos pares se neutralizan.Cuando la reluctancia del eje d es menor que la del eje q, el par que produce la fuerza magne-tomotriz del eje d sobre el eje q es mayor que en la dirección contraria y se produce un par netoresultante debido a la variación de reluctancia entre los dos ejes. Desde otro punto de vista se puedeinterpretar que la pieza polar intenta alinearse con la fuerza electromotriz resultante en la máquina.Si la máquina posee un rotor cilíndrico, este par es nulo. En la ecuación 22.40, el par eléctricose divide en dos componentes, la primera es proporcional al producto de la corriente de campo i fpor la corriente de la bobina cuadratura iq y la segunda componente depende del producto de lascorrientes id e iq. Esta última componente se anula si la inductancia Ld es igual a la inductanciaLq. La inductancia Ld está definida por la permeanza del eje directo, mientras que la inductancia Lqestá definida por la permeanza del eje cuadratura.

En la figura 22.4 se han representado las fuerzas magnetomotrices en coordenadas dq0. Se observaque sobre la pieza polar aparecerá un par eléctrico que intentará alinear el rotor con la fuerzamagnetomotriz total. Cuando se analizan las fuerzas electromotrices de generación en el sistemade ecuaciones 22.54 se observan dos términos similares, el primero depende de la inductancia Lq,que es proporcional a la permeanza del camino cuadratura y determina la generación sobre el ejedirecto, el segundo término depende de Ld , y es proporcional a la permeanza del camino directo ydetermina parte de la generación sobre el eje cuadratura.

22.7. Régimen permanente

Para analizar el comportamiento de la máquina sincrónica en régimen permanente es necesarioexcitar los circuitos de armadura con un sistema equilibrado y simétrico de corrientes. Además, enestas condiciones el rotor de la máquina debe girar a la velocidad sincrónica. La posición relativadel rotor con respecto al sistema de referencia solidario al estator es:

θ = ωt +θ0 (22.56)13θ(t) = ωt +θ0.


Sustituyendo la expresión 22.56, en la transformación a coordenadas dq0 definida mediante larelación 22.55, se obtiene el siguiente resultado:

id =√

3Ie cos(θ0−α) ; iq =−√

3Ie sin(θ0−α) ; id = 0 (22.57)

Las corrientes de régimen permanente en coordenadas primitivas, transformadas al sistema decoordenadas dq0 son independientes del tiempo. El argumento de las funciones trigonométricas(θ0−α) proyecta la fuerza magnetomotriz producida por el sistema balanceado de corrientes primi-tivas según las direcciones de los nuevos ejes coordenados. En la figura 22.4 se representa el efectode la transformación para un sistema en régimen permanente y equilibrado. Como las corrientes id ,iq e i0 son independientes del tiempo, los términos de transformación son nulos en el nuevo sistemade coordenadas y en estas condiciones. Las ecuaciones del modelo 22.54 se reducen a:

vd = Reid −ωLqiq = Reid −Xqiq (22.58)

vq = Reiq +ωLdid +ωLd f i f = Reiq +Xdid + e f (22.59)

v f = R f i f (22.60)

Te = (Ld −Lq)idiq +Ld f iqi f (22.61)

22.8. Diagrama fasorial

Mediante la transformación inversa de Park 22.46 se puede obtener la tensión de la fase a:

va(t) =

√23(vd cosθ − vq sinθ +

1√2

v0) (22.62)

La tensión v0 es nula debido a que no existe corriente de secuencia cero en el sistema trifásicobalanceado14. Por otra parte, la transformación de coordenadas gira a velocidad sincrónica segúnse describe en la expresión 22.56. En estas condiciones se determina la tensión en bornes de la fasea de la máquina como:

va(t) =

√23

vd[cos(ωt +θ0)− vq sin(ωt +θ0)

]=

√23

ℜe[(

vd + jvq)

e j(ωt+θ0)]

=

= ℜe[√

2(Vd + jVq

)e j(ωt+θ0)

]= ℜe

[√2Vee j(ωt+θ0)

](22.63)

De acuerdo con esta expresión, el fasor que representa el valor efectivo de la tensión en la fase adel estator de la máquina sincrónica, en régimen permanente es:

Ve = Vd +Vq = Vd + jVq =vd√

3+ j

vq√3

(22.64)

Con un razonamiento similar se obtiene la siguiente expresión para las corrientes en régimen per-manente:

Ie = Id + Iq = Id + jIq =id√

3+ j

iq√3

(22.65)

14En el sistema trifásico balanceado se tiene: v0 = va + vb + vc = 0.

22.8. DIAGRAMA FASORIAL 447

Figura 22.5: Diagrama fasorial de la máquina sincrónica de polos salientes en convención motor

Reemplazando las expresiones 22.64 y 22.65 en las ecuaciones 22.58 y 22.59, se obtienen lassiguientes relaciones fasoriales:

Vd = ReId + jXqIq (22.66)

Vq = ReIq + jXdId + j1√3

e f = ReIq + jXdId +E f (22.67)

Ve = Vd +Vq = Re(Id + Iq

)+ jXdId + jXqIq +E f ⇒

Ve = ReIe + jXdId + jXqIq +E f (22.68)

En las expresiones 22.66 a 22.68, los fasores con subíndice d están orientados según la direccióndel eje directo, y los fasores con subíndice q, apuntan en la dirección del eje cuadratura. El fasor E fse orienta en la dirección del eje q debido a que representa la fuerza electromotriz producida por lacorriente del campo i f sobre el eje q. En la ecuación 22.67 se observa que el fasor E f se obtienemultiplicando por j15 la fuerza electromotriz e f producida por el campo y dividiendo este resultadopor el factor 1√

3. Todas las magnitudes de los fasores de las expresiones anteriores se han definido

en términos de valores efectivos, por esta razón no aparece en la definición de cada uno de lostérminos el coeficiente

√2. En la ecuación fasorial 22.68 aparecen los términos jXdId y jXqIq, aun

cuando aparentan ser caídas de tensión reactivas, en realidad representan fuerzas electromotrices degeneración. Es necesario recordar que el operador imaginario j, produce una rotación de 90. Comoel fasor XdId está dirigido según el eje directo, el fasor jXdId se orienta según la dirección del ejecuadratura. En otras palabras, el flujo producido por la bobina del eje directo de la máquina, cortaa los conductores fijos del estator e induce fuerza electromotriz de generación en el eje cuadratura.De forma semejante el término XqIq representa un fasor con dirección cuadratura, jXqIq rota 90 yel fasor resultante apunta en la dirección negativa del eje directo. En la figura 22.5 se representa eldiagrama fasorial de la máquina sincrónica en régimen permanente.

Si el rotor de la máquina sincrónica es liso, las reactancias directa y cuadratura son iguales, en estecaso se define una sola reactancia denominada reactancia sincrónica Xs. Para la máquina sincrónicade rotor liso la ecuación fasorial 22.68 se simplifica cuando se agrupan los términos de generación:

Ve = (Re + jXs)Ie +E f (22.69)

15Dirección del eje cuadratura.


Figura 22.6: Diagrama fasorial de la máquina sincrónica de polos salientes en la convención gene-rador

Las relaciones anteriores están escritas en la convención motor. En otras palabras, las corrientes quecirculan por las bobinas de la máquina entran por su punto de polaridad relativa. En la convenciónmotor una potencia positiva indica que la máquina consume potencia eléctrica. Si la potencia esnegativa, la máquina genera potencia eléctrica. Las máquinas sincrónicas son utilizadas con mu-cha frecuencia como generadores y es ventajoso en estos casos utilizar la convención generador enlugar de la convención motor para describir su comportamiento. En la convención generador lascorrientes de armadura salen por el punto de polaridad de cada bobina. En ambas convenciones,la dirección de referencia de la corriente de campo se define entrando por el punto de polaridadrelativa por que este eje eléctrico es pasivo y en general consume potencia eléctrica. El cambio deconvención se realiza invirtiendo el sentido de circulación de las corrientes de los ejes directo y cua-dratura, para este fin se cambia el signo de las corrientes Ie, Id e Iq, en las ecuaciones 22.66, 22.67y 22.68. La fuerza electromotriz que produce el campo no cambia de signo en la nueva convención,debido a que la corriente de campo i f mantiene la misma referencia en las dos convenciones. Deesta forma, la ecuación de la máquina sincrónica de polos salientes en régimen permanente y enconvención generador se puede expresar como:

E f = Ve +ReIe + jXdId + jXqIq (22.70)

En la figura 22.6 el triángulo 4ABC es semejante al triángulo 4DEF , por esta razón se puedenestablecer la siguiente relación:

EFAC

=DFAB

⇒ Vz

Ie=

jXqIq

Iq⇒ Vz = jXqIe (22.71)

La tensión Vz, aun cuando no posee una interpretación física concreta, es una herramienta muyútil en la construcción del diagrama fasorial de la máquina sincrónica de polos salientes. Cuandose suma fasorialmente la tensión de armadura en bornes de la máquina Ve, la caída resistiva ReIeen el circuito de armadura y el fasor Vz, el fasor resultante está orientado en la dirección del ejecuadratura tal como se observa en la figura 22.6. Conociendo la posición del eje cuadratura de lamáquina, es posible proyectar la corriente Ie en sus dos componentes, Id e Iq. Conocido el fasorId se determina la fuerza electromotriz producida por el campo, sumando el término j(Xd −Xq)Idal extremo del fasor que representa la tensión Vz en el diagrama fasorial. Expresando matemática-mente el planteamiento anterior, se tiene:

AE = D∠δ = Ve +ReIe + jXqIe (22.72)

22.9. POTENCIA Y PAR ELÉCTRICO 449

δ = arctan[

XqIe cosφe−ReIe sinφe

Ve +ReIe cosφe +XqIe sinφe

](22.73)

D =√

(Ve +ReIe cosφe +XqIe sinφe)2 +(XqIe cosφe−ReIe sinφe)2 (22.74)

|Id|= Id = |Ie|sin(φe +δ ) (22.75)

E f = AE + j(Xd −Xq)Id = D∠δ + j(Xd −Xq)Id (22.76)

E f = D+(Xd −Xq)Ie sin(φe +δ ) (22.77)

Mediante las expresiones anteriores se determina el diagrama fasorial de la máquina sincrónica depolos salientes, conocida la resistencia del estator Re, las reactancias directa Xd y cuadratura Xq, latensión de armadura Ve, la corriente de armadura Ie y el ángulo del factor de potencia en el puntode operación φe.

22.9. Potencia y par eléctrico

Para calcular del par eléctrico se puede utilizar las expresiones 22.40 o 22.61. Sin embargo, lasvariables independientes de esta ecuación son ficticias, por esta razón es conveniente expresar elpar y la potencia eléctrica mediante variables asociadas con el diagrama fasorial. Las máquinassincrónicas tienen rendimientos muy altos, particularmente cuando son de gran potencia. En unamáquina sincrónica típica, la potencia mecánica en el eje es prácticamente igual a la potenciaeléctrica en bornes de la máquina. Empleando esta aproximación es posible desarrollar expresionesdel par y de la potencia eléctrica dependientes de variables medibles en la práctica. Con estascondiciones se tiene:

Pm = Tm ·ωm ≈ Pe = Te ·ωe (22.78)

La potencia eléctrica se determina de la siguiente forma:

Pe(t) = vaia + vbib + vcic = vdid + vqiq + v0i0 (22.79)

En régimen permanente equilibrado, las corrientes y las tensiones en coordenadas transformadasson independientes del tiempo. La corriente y la tensión de secuencia cero son nulas. La potenciaeléctrica se calcula como:

Pe(t) = vdid + vqiq =√

3Vd√

3Id +√

3Vq√

3Iq = 3(VdId +VqIq) (22.80)

Despreciando la caída de tensión en la resistencia Re en el diagrama fasorial representado en lafigura 22.6, se deducen las siguientes relaciones:

Ve cosδ +XdId = E f ⇒ Id =E f −Ve cosδ

Xd(22.81)

Ve sinδ = XqIq ⇒ Iq =Ve sinδ

Xq(22.82)

Vd = Ve sinδ (22.83)

Vq = Ve cosδ (22.84)


(a) Potencia activa (b) Potencia reactiva

Figura 22.7: Potencia eléctrica de la máquina sincrónica de polos salientes

Reemplazando las ecuaciones 22.81 a 22.84 en la expresión 22.80 se obtiene el siguiente resultado:

Pe = 3E fVe

Xdsinδ +3

Xd −Xq

2XdXqV 2

e sin2δ (22.85)

El segundo término de la expresión anterior depende de la diferencia entre las reactancia del ejedirecto y cuadratura. En otras palabras, depende de la variación de reluctancia del circuito magné-tico. El primer término depende de la fuerza electromotriz E f producida por la corriente de campo.En una máquina de rotor liso, este es el único término de la potencia eléctrica que interviene enel proceso de conversión de energía. El par eléctrico se calcula dividiendo la expresión 22.85 porla velocidad angular sincrónica mecánica ωm = ωe

p , donde p es el número de pares de polos de lamáquina. El ángulo δ se denomina ángulo de carga de la máquina y representa la diferencia de faseentre la fuerza electromotriz producida por el flujo del campo y la tensión de armadura. El ángulode carga define el estado o punto de operación de la máquina, es análogo a la variable deslizamientoen el caso de la máquina de inducción. En la figura 22.7(a) se presenta el gráfico potencia eléctricacon respecto al ángulo de carga para una máquina sincrónica típica, indicando las dos componentesde la potencia eléctrica y la potencia eléctrica total.

La potencia aparente en el estator de la máquina sincrónica se calcula de la siguiente forma:

Se = 3Ve · I∗e = 3(Vd + jVq)(Id − jIq) =

= 3[(VdId +VqIq)+ j(VqId −VdIq)

]= Pe + jQe (22.86)

La ecuación anterior determina la potencia activa y reactiva de la máquina sincrónica. La potenciareactiva expresada en función de las variables del diagrama fasorial se obtiene reemplazando en laexpresión 22.85, las relaciones 22.81 a 22.84:

Qe = 3(VqId −VdIq) = 3E fVe

Xdcosδ −3

V 2e

XdXq(Xq cos2

δ +Xd sin2δ ) (22.87)

En la figura 22.7(b) se representa la potencia reactiva en función del ángulo de carga para unamáquina sincrónica típica de polos salientes.

El punto de operación de la máquina sincrónica queda definido al conocer el valor del ángulo decarga δ . En la figura 22.8 se observa que a medida que cuando aumenta la potencia entregadapor la máquina al sistema eléctrico, se incrementa el valor del ángulo de carga. Sin embargo, la

22.9. POTENCIA Y PAR ELÉCTRICO 451

Figura 22.8: Variación de la potencia eléctrica con el ángulo de carga y punto de máxima potencia

característica potencia eléctrica en función del ángulo de carga tiene un valor de potencia máximaque puede entregar la máquina. Si por el sistema mecánico se entrega una potencia mayor, no esposible realizar la conversión de toda la potencia, y el exceso o diferencia acelerará el rotor. Si elrotor de la máquina se acelera, el ángulo de carga aumentará continuamente y la máquina perderáel sincronismo con el sistema eléctrico de potencia. Cuando ocurre este fenómeno es necesariodesconectar la máquina sincrónica de la red para evitar las fuertes oscilaciones de potencia y laaceleración de la máquina que es capaz de alcanzar el nivel de embalamiento del rotor.

Para determinar el ángulo de carga correspondiente a la máxima potencia que puede entregar lamáquina, se deriva con respecto a este ángulo la expresión 22.85. En el valor δmax la derivada de lapotencia con respecto al ángulo de carga es nula:

∂Pe

∂δ=

E fVe

Xdcosδ +

Xd −Xq

XdXqV 2

e cos2δ (22.88)

∂Pe

∂δ(δmax) =

E fVe

Xdcosδmax +

Xd −Xq

XdXqV 2

e cos2δmax = 0 (22.89)

Recordando la identidad trigonométrica cos2α ≡ 2cos2 α−1, Se puede expresar la ecuación 22.89como una ecuación cuadrática:

2Xd −Xq

XdXqV 2

e cos2δmax +

E fVe

Xdcosδmax−

Xd −Xq

XdXqV 2

e = 0 (22.90)

Simplificando la expresión anterior se puede obtener:

cos2δmax +

12

Xq

Xd −Xq

E f

Vecosδmax−

12

= 0 (22.91)

Cuya solución es:

δmax = arccos

√ X2q E2

f

16(Xd −Xq)2Ve+

12−

XqE f

4(Xd −Xq)Ve

(22.92)


Para las máquinas sincrónicas de rotor liso, las reactancias directa y cuadratura son iguales, y eneste caso se obtiene a partir de la expresión 22.89:

δmax = arccos(0) =π

2⇒ Pemax =

E fVe

Xs(22.93)

22.10. Circuito equivalente de la máquina sincrónica

A partir del modelo 22.54 que define el comportamiento dinámico de las corrientes de la máquinasincrónica en convención motor, se puede modelar la máquina mediante cuatro circuitos eléctricosacoplados por términos de generación y transformación, mediante transformadores y fuentes detensión dependientes de corriente. En la figura 22.9(a) se presenta el circuito equivalente de la má-quina sincrónica de polos salientes. Durante la operación equilibrada en régimen permanente, lascorrientes id , iq e i f son constantes en el tiempo, y la corriente i0 es nula. De esta forma, el circuitodesacoplado correspondiente a la secuencia cero no tiene influencia, y las inductancias del resto delos circuitos no producen caída de tensión. La corriente del campo se puede calcular evaluando elcociente entre la tensión aplicada al campo y la resistencia de esta bobina. Los dos circuitos restan-tes, correspondientes al eje directo y cuadratura, están configurados tan sólo mediante resistencias yfuentes de tensión dependientes de corrientes que circulan por otros circuitos. Asociando con el ejereal la polaridad positiva de la corriente y tensión del circuito correspondiente al eje directo, y conel eje imaginario la del circuito cuadratura, se representa en la figura 22.9(b) el circuito equivalentefasorial de la máquina sincrónica de polos salientes en régimen permanente equilibrado.

(a) Modelo transitorio de polos salientes

(b) Modelo permanente de polos salientes (c) Modelo permanente de rotor li-so

Figura 22.9: Circuitos equivalente de la máquina sincrónica en convención motor

22.11. MÁQUINAS DE IMÁN PERMANENTE 453

Si la máquina sincrónica es de rotor liso, las reactancias del eje directo y del eje cuadratura soniguales y se denomina entonces reactancia sincrónica Xs. Para máquinas sincrónicas de rotor lisose deduce de la figura 22.9(b), y de las expresiones 22.33 y 22.34, la siguiente relación:

Ve = Vd + jVq = (Re + jXs)(Id + jXq)+ jE f = (Re + jXs)Ie +E f (22.94)

En la figura 22.9(c) se presenta el circuito equivalente en convención motor, de la máquina sincróni-ca de rotor liso en régimen permanente equilibrado. El circuito equivalente de la máquina sincrónicade rotor liso permite una interpretación simple de las ecuaciones. Esta máquina se comporta comouna fuente equivalente de Thèvenin, cuya tensión de circuito abierto es la fuerza electromotriz queproduce la corriente de campo sobre la armadura y la impedancia de Thèvenin está formada por laresistencia de las bobinas de armadura y por la reactancia sincrónica. La caída reactiva modela ladesmagnetización ocasionada por la circulación de la corriente de armadura.

Valores típicos adimensionales de las inductancias propias, mutuas y de dispersión en las máquinassincrónicas convencionales se presentan en la tabla 22.1.

Tabla 22.1: Rango típico de los valores de las inductancias de la máquina sincrónica de polossalientes

Inductancia Rango en puLd f = Lmd = Lm f 0,7∼ 1,1

Lmq 0,5∼ 0,7Lσd ≈ Lσq = σd Ld f (0,1∼ 0,2)Ld f

Lσ f = σ f Ld f (0,2∼ 0,3)Ld fLd = (1+σd)Ld f (1,1∼ 1,2)Ld fL f = (1+σ f )Ld f (1,2∼ 1,3)Ld fLq = (1+σq)Lmq (1,1∼ 1,2)Lmq

L′d = Ld −

L2d f

L f(0,27∼ 0,43)Ld f

L′f = L f −

L2d f

Ld(0,29∼ 0,47)Ld f

22.11. Máquinas de imán permanente

Los materiales magnéticos fueron utilizados en la fabricación de máquinas eléctricas a partir de ladécada de los cincuenta, los materiales más utilizados actualmente en la construcción de estos con-vertidores electromecánicos son los magnetos de ferrita, alnico-5, samarium-cobalt y neodymiun.En la figura 22.10, se presenta la característica de magnetización de los imanes permanentes.

En la figura 22.10 se muestra la característica de desmagnetización del imán permanente duranteel proceso de operación de la máquina, a partir de esta curva se puede determinar la densidad deflujo de imán durante la operación. Generalmente esta desmagnetización en condiciones normalesde operación esta limitada como se muestra en la figura y se tiende a considerar constante. Si elimán en una operación bajo fallas, como un cortocircuito, es sometido a una intensidad de campomagnético superior al punto de Hcrtico, el imán pierde fuerza cohecitiva y modifica su característicade flujo de remanencia.


Figura 22.10: Característica de magnetización de los imanes permanentes.

Figura 22.11: Característica de remanencia del imán permanente.

Los esquemas de disposición de los imanes en el rotor de la máquina sincrónica, se muestranen la figura 22.12. Los esquemas de montaje superficial de los imanes (a) y (b), originan quela reactancia de eje directo y cuadratura sean similares (Ld ≈ Lq) , mientras que el montaje delos imanes embutido en el rotor origina que la reactancia de cuadratura sea mayor que la de ejedirecto (Lq > Ld). Por las facilidades constructivas la mayoría de las máquinas sincrónica de imánpermanente presentan una disposición superficial de los imanes. En la figura 22.13, se muestra unamáquina sincrónica de imán permanente con imanes superficiales en el rotor.

22.11. MÁQUINAS DE IMÁN PERMANENTE 455

(a) Embutido en la superficie (b) Montaje Superficial

(c) Inscrutado en el rotor

Figura 22.12: Esquema de montaje de los imanes permanentes en el rotor.

(a) Estator - rotor (b) Rotor con imanes superficiales

Figura 22.13: Máquina sincrónica de imán permanente.


22.11.1. Ecuaciones de la máquina sincrónica de imán permanente referidasal rotor

El sistema de ecuaciones diferenciales que determina el comportamiento dinámico de la máquinasincrónica de imán permanente se puede expresar de la siguiente forma:

vd = Reid + pλd −ωλqvq = Reiq + pλq +ωλd

J ω = λdqe × idq

e −Tm(ω)(22.95)

donde:

λd = Ldid +λa f

λq = Lqiq

λdqe = λd + jλq

El sistema de ecuaciones 22.95 es similar al 22.41, donde el enlace de flujo del campo, se sustituyepor el producido por el imán permanente (λa f ). Desarrollando la expresión de par eléctrico de laecuación 22.12, se obtiene:

Te = λa f iq +(Ld −Lq

)iqid (22.96)

Para imanes con montaje superficial la ecuación 22.96, se reduce a:

Te = λa f iq (22.97)

22.12. Accionamiento de la máquina sincrónica

22.12.1. Control tensión frecuencia constante

En la figura 22.14, se presenta el esquema de control de un motor sincrónico por tensión frecuenciaconstante. En este accionamiento la relación entre la tensión de alimentaron de la máquina y lafrecuencia de las corrientes del estator se mantiene constante. Generalmente el esquema de controlde inversor es por modulación de ancho de pulso (PWM). En la figura 22.15, se presenta el esquemade tracción de este accionamiento, en donde se observa como la tensión de alimentación de lamáquina esta acotada en un límite inferior para frecuencias bajas.

22.12. ACCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA SINCRÓNICA 457

Figura 22.14: Esquema del accionamiento v/ f = cte para máquinas sincrónicas

Figura 22.15: Características par velocidad para el accionamiento v/ f = cte de la máquina sincró-nica


Figura 22.16: Diagrama de control vectorial de la máquina sincrónica

22.12.2. Control vectorial

Para simplificar la ecuación de par de la máquina sincrónica cuando se realiza control vectorial esescoge que la corriente del eje cuadratura de la máquina sea igual a cero (id = 0) , en esta condiciónel vector espacial de corriente y el par se reduce ha:

Te = λ f iq (22.98)

idqe ≡ jiq = iee− jθ (22.99)

En el caso de máquinas de imán permanente se sustituye el enlace de flujo del campo ( λ f ) por elenlace de flujo equivalente del imán (λa f ). En la figura 22.16, se presenta el diagrama de controlvectorial de una máquina sincrónica , este esquema incluye un lazo para establecimiento del enlacede flujo del estator durante el arranque el cual permite accionar la máquina a par constante, luego deestablecido el flujo al valor de referencia se procede a dar una referencia de corriente en el eje direc-to de cero. El esquema de control mantiene la corriente en el estator de la máquina constante y lasordenes de encendido y apagado de las componentes del inversor se realiza mediante modulacióndelta de corriente.

En la figura 22.17, 22.18 y 22.19 se presenta la respuesta del esquema de la figura 22.16 al seguiruna consigna de velocidad, para una máquina de sincrónica de polos salientes de 200HP alimentadacon un puente inversor , desde un sistema trifásico de 460V a frecuencia industrial de 60Hz. Laconversión AC-DC se realiza con un rectificador activo trifásico.


Figura 22.17: Velocidad mecánica, par eléctrico y flujo del estator para el accionamiento de lamáquina sincrónica de polos salientes


(a)

(b) Detalle

Figura 22.18: Tensión y corriente en la fase “a” del motor para el accionamiento de la máquinasincrónica de polos salientes


(a)

(b) Detalle

Figura 22.19: Tensión y corriente en la fase “a” y Tensión en la barra de corriente continua delrectificador de la fuente alterna el accionamiento de la máquina sincrónica de polos salientes

En la figura 22.20, 22.21 y 22.22 se presenta la respuesta del esquema de la figura 22.16 al seguiruna consigna de velocidad, para una máquina de sincrónica de imán permanente con distribuciónde flujo sinusoidal de 5HP alimentada con un puente inversor , desde un sistema trifásico de 220Va frecuencia industrial de 60Hz. La conversión AC-DC se realiza con un rectificador no controladotrifásico.


Figura 22.20: Velocidad mecánica y par eléctrico para el accionamiento de la máquina sincrónicade imán permanente


(a)

(b) Detalle

Figura 22.21: Tensión y corriente en la fase “a” del motor para el accionamiento de la máquinasincrónica de imán permanente


(a)

(b) Detalle

Figura 22.22: Tensión y corriente en la fase “a” de la fuente alterna el accionamiento de la máquinasincrónica de polos salientes

22.12.3. Control Directo de Par

En la figura 22.23, se muestra el esquema de control directo de par del motor sincrónico, esteesquema es similar al estudiado para la máquina de inducción y se basa en el mismo principio. Enla tabla se muestra la tabla de disparo del inversor para cada una de las zonas del flujo de acuerdo


a la salida de los comparadores de histéresis de par y flujo.

Figura 22.23: Diagrama de control directo de par de la máquina sincrónica

En la tabla 22.2 se presenta la secuencia de disparo del inversor para la estrategia de control directode par, a partir de la posición del enlace de flujo del estator, y la salida de los comparadores dehistéresis del flujo y par eléctrico. Con la finalidad de incrementar la velocidad de cambio del pareléctrico y magnitud del enlace de flujo, no se utiliza el vector espacial de tensión que se encuentradentro de la zona de localización del enlace de flujo, así como tampoco el localizado en la zonaopuesta.

Tabla 22.2: Secuencia de disparo del inversor para el controlador directo de par de la máquinasincrónica.

HB(−→λe)

HB(Te) Z(1) Z(2) Z(3) Z(4) Z(5) Z(6)

1 1 −→v2−→v3

−→v4−→v5

−→v6−→v1

1 −1 −→v6−→v1

−→v2−→v3

−→v4−→v5

−1 1 −→v3−→v4

−→v5−→v6

−→v1−→v2

−1 −1 −→v5−→v6

−→v1−→v2

−→v3−→v4


Parte IX

Bibliogarfía

467

Bibliografía

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469

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[28] "IEEE Recommended Practices and Requerements for Harmonic Control in Electrical PowerSystems". IEEE Standars Board 1992.

Parte X

Anexos

471

Funciones Trigonométricas

En este anexo se presentan, las funciones e identidades trigonométricas más utilizadas en la reso-lución de problemas en Electrónica de Potencia.

Funciones Seno

sin(−θ) =−sin(θ)

sin(

π

2±θ

)= cos(θ)

sin(π±θ) =∓sin(θ)

sin(

3π

2±θ

)=−cos(θ)

sin(2kπ±θ) =±sin(θ)

sin(a±b) = sin(a)cos(b)± cos(a)sin(a)

sin(2a) = 2sin(a)cos(a)

sin(a)+ sin(b) = 2[

sin(

a+b2

)cos(

a−b2

)]

sin(a)− sin(b) = 2[

sin(

a−b2

)cos(

a+b2

)]

sin(a)sin(b) =12

[cos(a−b)− cos(a+b)]

sin(a)cos(b) =12

[sin(a−b)+ sin(a+b)]

473

474

Funciones Coseno

cos(−θ) = cos(θ)

cos(

π

2±θ

)=∓sin(θ)

cos(π±θ) =−cos(θ)

cos(

3π

2±θ

)=±sin(θ)

cos(2kπ±θ) = cos(θ)

cos(a±b) = cos(a)cos(b)∓ sin(a)sin(a)

cos(2a) = 1−2(sin(a))2 = 2(cos(a))2−1

cos(a)+ cos(b) = 2[

cos(

a+b2

)cos(

a−b2

)]

cos(a)− cos(b) = 2[

sin(

a+b2

)sin(

a−b2

)]

cos(a)cos(b) =12

[cos(a−b)+ cos(a+b)]

cos(a)sin(b) =12

[sin(a+b)− sin(a−b)]

Integrales

∫sin(n(a))da =−cos(n(a))

n

∫cos(n(a))da =

sin(n(a))n

∫sin2(x)dx =

x2− 1

4sin(2x)+C

475

∫cos2(x)dx =

x2

+14

sin(2x)+C

∫(sin(n(a)))2 da =

a2− sin(2n(a))

4n

∫sin(mx) cos(nx)dx =−cos((n+m)x)

2(n+m)− cos((m−n)x)

2(m−n)+C

∫sin(mx) sin(nx)dx =

sin((m−n)x)m−n

− sin((n+m)x)n+m

+C

∫eax sin(bx)dx =

eax

a2 +b2 (asin(bx)−bcos(bx))+C

∫eax cos(bx)dx =

eax

a2 +b2 (acos(bx)+bsin(bx))+C

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