Capítulo 2. Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.

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1 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Capítulo. Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Un convertidor electrónico de potencia es un circuito que transforma la energía eléctrica entrante a otra forma distinta de energía eléctrica a su salida, por ejemplo una señal alterna convertirla a una señal directa o viceversa, una señal alterna convertirla a otra señal alterna con diferentes parámetros o una señal directa convertirla a otra señal directa también con diferentes parámetros. Debido a las anteriores características estos convertidores se clasifican de la siguiente manera: CA/CD: Convierten un voltaje de entrada alterno en uno directo y a su vez se subclasifican según la topología utilizada. Los convertidores CA/CD involucrados en este trabajo de tesis son: a) ectificador de media onda. b) ectificador de onda completa. Sus principales aplicaciones son fuentes de alimentación de la mayoría de aparatos electrónicos que funcionan únicamente con corriente continua como lo es una computadora, reproductores de CDs, radios, televisión, etc. 14

2 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. CA/CA: Convierten el voltaje alterno de entrada a un voltaje alterno con diferentes parámetros como pueden ser valor eficaz y frecuencia donde sus principales usos son el control de iluminación de lámparas y regular la velocidad de motores de CA principalmente. Los convertidores CA/CA que fueron programados son: a) Convertidor controlado por de ángulo de fase. b) Cicloconvertidor. CD/CD: Convierten la energía eléctrica de una batería o una celda solar a otros niveles de voltaje directo listo para ser utilizado como fuente de alimentación de diversos aparatos que funcionan únicamente con voltaje directo. En este trabajo se programaron los siguientes circuitos: a) eductor de voltaje (Buck). b) Elevador de voltaje (Boost). c) eductor-elevador de voltaje (Buck-Boost). d) Cúk. CD/CA: También llamados inversores ya que hacen la función inversa de los rectificadores ya que el voltaje de entrada es una fuente de voltaje directo y a su salida se obtiene una señal alterna. En este trabajo de tesis se programaron los circuitos: a) Medio puente. b) Puente H. 15

3 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Sus principales usos son para mantener corriente eléctrica alterna de respaldo a partir de una batería como en el caso de los No break o alimentar aparatos que sólo admiten voltaje alterno a partir de una batería. Estos inversores se utilizan muy a menudo en las tomas de corriente que se encuentran en coches y autobuses. Todos estos convertidores se describirán con más detalle a continuación..1.- Convertidores CA/CD:.1.1 ectificador de media onda. El circuito rectificador de media onda esta constituido básicamente por un diodo en serie con la carga, en este caso resistiva únicamente. Es el más simple de los convertidores ya que consta de un sólo elemento semiconductor y no requiere control. El diodo es un elemento semiconductor que únicamente conduce corriente sí esta polarizado directamente y por lo tanto si la diferencia de potencial entre ánodo y cátodo respectivamente es mayor que cero. La entrada de este circuito es un voltaje senoidal a 60 Hz. Éste voltaje es transferido a la carga a través del diodo con la restricción de que sólo conducirá si en los semiciclos positivos y el voltaje a la salida será cero mientras a la entrada del circuito existan semiciclos negativos. El diagrama esquemático del rectificador de media onda se muestra en la figura.1. 16

4 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Figura.1.- ectificador de media onda. La forma de onda de salida se muestra a continuación Figura..- Forma de onda de salida del rectificador de media onda. El voltaje rms de salida esta dado por La cual al evaluarla resulta π 1, rms = m Sen ( ωt) dωt π 0 m, rms = Donde m es el voltaje pico de la fuente de alimentación. 17

5 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. m = in, rms El voltaje medio de salida esta definido por: m, med = π Por ley de Ohm, la corriente máxima en la resistencia es cociente del voltaje máximo entre la resistencia. i m m = y de igual forma la corriente media esta dada por el cociente del voltaje medio entre la resistencia, i, med, med =, y por último la corriente rms en la carga esta determinada por el cociente del voltaje rms de salida entre la resistencia de carga i, rms, rms =. El factor de potencia es la razón de la potencia media y la potencia aparente. rms I rms F. P. =, en este caso rms I rms in in 1 F. P. =. 18

6 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia ectificador de onda completa. El diagrama esquemático del rectificador de onda completa se muestra en la figura.3. Figura.3.- ectificador de onda completa. El rectificador de onda completa transfiere el voltaje de entrada a la carga en etapas: a) Cuando el voltaje de entrada proporciona un semiciclo positivo los diodos 1 y están polarizados directamente mientras que los diodos 3 y 4 están inversamente polarizados y no conducen. b) Cuando el voltaje de entrada proporciona un semiciclo negativo los diodos 3 y 4 están polarizados directamente y transfieren el voltaje de la fuente a la carga mientras que los diodos 1 y están polarizados inversamente lo cual provoca que no conduzcan corriente en ese periodo de tiempo. La forma de onda de salida se muestra en la figura.4. 19

7 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Figura.4.- Forma de onda de salida del rectificador de onda completa. El voltaje de salida rms del rectificador de onda completa esta dada por: m, rms =. Donde m es el voltaje pico de la fuente de alimentación, por lo tanto: m = in, rms El voltaje medio en la carga esta dado por, med = m y la potencia en la carga se π calcula como:, rms P =, rms Por lo tanto, la carga calculada es: = y la potencia máxima en la carga es P P max = m 0

8 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. La corriente máxima en la carga m io, m =, la corriente media, med io, med = y la corriente rms en la carga, rms i, rms =. El factor de potencia esta dado por:, rms I, rms F. P. = in, rms Iin, rms..- Convertidores CA/CA Convertidor controlado por ángulo de fase. El triac es un dispositivo controlado similar a un diodo con la característica que es capaz de conducir corriente en ambos sentidos siempre y cuando exista una diferencia de potencial entre las terminales y además cuando la compuerta esta excitada. En la figura.5 se muestra la configuración que se implementó en este programa. Figura.5.- Diagrama del convertidor controlado por ángulo de fase. En su configuración más simple en serie con una resistencia de carga y conectado a una fuente de alimentación de corriente alterna es capaz de recortar a la señal de salida tal 1

9 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. como se muestra en las figuras.6 y.7. En la figura.7 se muestra el voltaje de salida con un ángulo de disparo alfa de 90 grados. Figura.6.- Forma de onda del voltaje de entrada. Figura.7.- oltaje de salida.

10 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. El fin de recortar al voltaje de salida es para cambiar el voltaje rms y/o voltaje medio para diversas aplicaciones por ejemplo el control de iluminación. El voltaje MS de salida del convertidor está dado por: m α sen(α ), rms = 1 + π π Y el voltaje medio de salida es cero debido a la simetría de los semiciclos positivos y negativos por lo tanto: La carga se calcula mediante: med o = 0 orms = P La corriente pico en la resistencia está dada por I m = pico. El factor de potencia esta determinado por: Donde m es el voltaje pico de entrada I F. P. =. in Iin = rms. m s 3

11 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. m La potencia media en la carga Pmed = [ sen( α)cos( α) α + π ] y la potencia máxima π disipada P pico pico =.El voltaje pico de salida esta definido por: pico m, = msen( α), π si α < π si α...- Cicloconvertidor. Un cicloconvertidor es un arreglo de rectificadores de onda completa controlados estratégicamente a fin de poder cambiar tanto al voltaje de salida como la frecuencia de salida. El diagrama esquemático del cicloconvertidor se muestra en la figura.8. Forma.8.- Diagrama esquemático del cicloconvertidor. 4

12 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. El funcionamiento del cicloconvertidor es muy simple si se analiza en partes: a) Si se controla al rectificador compuesto por los SCs 1,,3 y 4 se tiene en la carga un voltaje en CD. b) Si se controla al rectificador compuesto por los SCs 5,6,7 y 8 se tiene en la carga un voltaje en CD contrario al del inciso a) De esta manera se obtiene una señal de alterna y dependiendo de cuantos semiciclos se transfieran a la carga en forma alternada se determinará la frecuencia de salida. Ésta aplicación es muy útil para el arranque de motores de CA ya que permite un arranque lento y gradual hasta llegar a la velocidad máxima del motor. En la figura.9 se muestra la forma de onda de salida de un cicloconvertidor a 30 Hz ya que se transfieren a la carga semiciclos por cada rectificador controlado. Figura.9.- Forma de onda de salida del cicloconvertidor. 5

13 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. El voltaje rms a la salida del cicloconvertidor esta dado por 1 α sen(α ), rms = m + π 4π Donde el m es el voltaje pico de la fuente = rms. m s El voltaje medio a la salida es cero ya que por simetría el valor medio de los semiciclos positivos son exactamente iguales siempre y cuando se los rectificadores se disparen para un mismo valor de alfa,, med = 0. El factor de potencia está dado por F. P. = in I Iin La corriente MS en la carga esta dada por, rms Io, rms =. La corriente pico por I m = pico Donde pico m, = msen( α), π si α < π si α Y la potencia máxima en la carga está dada por P pico pico = 6

14 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia..3.- Convertidores CD/CD. De toda la familia de los convertidores CD/CD existe un grupo de convertidores que se le llaman conmutados. La regulación se consigue por lo general mediante la modulación del ancho de pulso a una frecuencia fija, y el dispositivo de conmutación por lo general es un BJT, MosFet o IGBT de potencia [1]. Hay 4 topologías para los reguladores conmutados: 1. eductor de voltaje (Buck).. Elevador de voltaje (Boost). 3. eductor-elevador (Buck-Boost). 4. Cúk eductor de voltaje. Un reductor de voltaje como su nombre lo indica es un convertidor que reduce el voltaje de entrada respecto a su salida. El voltaje de entrada como el de salida están en CD. En un regulador reductor, el voltaje promedio de salida o, es menor que el voltaje de entrada s de ahí la palabra EDUCTO, el cual es muy popular. [1]. El diagrama esquemático del reductor de voltaje se muestra en la figura.10. 7

15 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Figura.10.- eductor de voltaje. La operación del circuito se puede dividir en modos. El modo 1 empieza cuando se conecta el transistor en t=0. La corriente de entrada, que se eleva, fluye a través del inductor L1, del capacitor C y la resistencia de carga. El modo comienza cuando se desconecta el transistor en t=t1. El diodo de marcha libre D1 conduce devido a la energía almacenada en el inductor y la corriente del inductor continua fluyendo a través de L, C, la carga y el diodo. La corriente del inductor se abate hasta el que el siguiente ciclo del transistor se vuelva a activar. [1]. El voltaje medio de salida,, está dado por OUT = αs donde α es el ciclo de trabajo de la señal de control y s es el voltaje de la fuente. Por lo tanto, la corriente media a la salida en la carga esta dada por i =. La corriente máxima en la bobina esta dada por: i max = + (1 α) T L 8

16 La corriente mínima en la bobina es: Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. i min = (1 α) T L Donde L es la inductancia y esta determinada por L = ( s F IL s ) y la capacitancia está (1 α) dada por C = 8L F para el caso de operación en modo continuo. =izo de voltaje de salida. F=Frecuencia de conmutación. La carga se calcula con la ecuación = P Las formas de onda ideales, tanto de entrada y salida son constantes como se muestra en la figura.11. Figura.11.- oltaje de salida del reductor de voltaje 9

17 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia Elevador de voltaje. El elevador de voltaje se muestra en la figura.1. En un regulador elevador, el voltaje de salida es mayor que el voltaje de entrada, de ahí la palabra ELEADO. La operación del circuito se puede dividir en modos. El modo 1 empieza cuando se activa en transistor en t=0. La corriente de entrada que se eleva, fluye a través del inductor L y del transistor. El modo empieza cuando se desconecta el transistor en t=t1. La corriente que estaba fluyendo a través del transistor fluirá ahora a través de L, C, la carga y el diodo Dm. La corriente del inductor de abate hasta que se vuelve a activar en el siguiente ciclo el transistor. La energía almacenada en el inductor L es transferida a la carga. [1]. Figura.1.- Circuito elevador de voltaje. El voltaje de salida está determinado por la siguiente ecuación: s = 1 α Donde α es el ciclo de trabajo de la señal de control. 30

18 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. La corriente media en la carga está dada por I =. La corriente media en la bobina esta determinada por S I med =, la corriente ( 1 α ) L máxima en la bobina I L S αts max = + y la corriente mínima en la bobina por ( 1 α ) L I L S αts min =. ( 1 α ) L Para determinar la resistencia por ley de Ohm =. P La inductancia queda determinada por S L = α donde I L es la componente ondulatoria I f L de corriente en L, en modo continuo, y finalmente la capacitancia se calcula mediante la ecuación C = α donde es la componente ondulatoria de voltaje de salida. f Idealmente, la forma de onda de voltaje tanto a la entrada como a la salida es constante como lo muestra en la figura.13. Figura.13.- oltaje de salida del elevador de voltaje. 31

19 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia eductor-elevador. El reductor-elevador tiene la característica de elevar o reducir el voltaje de entrada o incluso igualar, por ejemplo para un acoplamiento. Tiene la característica además de cambiar la polaridad respecto al voltaje de entrada debido a que el flujo de corriente fluye en sentido inverso. El diagrama esquemático se muestra en la figura.14. Figura.14.- eductor-elevador de voltaje Un regulador reductor-elevador suministra un voltaje de salida que puede ser menor o mayor que el voltaje de entrada, de ahí el nombre EDUCTO-ELEADO; la polaridad del voltaje de salida es opuesta a la del voltaje de entrada.[1]. La operación del circuito se puede dividir en modos. Durante el modo 1, el transistor esta activo y el diodo D1 tiene polarización inversa. La corriente de entrada, que se eleva, fluye a través del inductor L y el transistor. Durante el modo, el transistor es conmutado y la corriente que fluía a través del inductor L, fluirá a través de L, C, D1 y la carga. La 3

20 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. energía almacenada en el inductor L se transferirá a la carga y la corriente del inductor se abatirá hasta que el transistor vuelva a activarse en el siguiente ciclo. [1]. El voltaje medio de salida está dado por: αs = 1 α y la corriente media en la carga es O I med = donde es la resistencia de carga y por ley de Ohm =. P La corriente media en la bobina L1 esta determinada por αs I med =, la corriente ( 1 α ) L máxima en la bobina está dada por I L αs max = I + ( 1 α ) L y por último la corriente mínima está dada por I L αs min = I ( 1 α ) L. La capacitancia y la inductancia están determinadas por C = α y f L = α f I S L respectivamente donde I L es la componente de corriente ondulatoria en L para el modo continuo y es la componente de voltaje ondulatorio en la salida. Las formas de onda de salida y de entrada se muestran en la figura

21 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Figura.14.- Forma de onda de salida del reductor-elevador de voltaje egulador Cúk Llamado así en honor a su inventor. Este circuito al igual que el reductor-elevador puede elevar o reducir el voltaje de salida respecto a la entrada. De igual modo invierte el voltaje respecto a la fuente, similar que el reductor-elevador. El diagrama esquemático del convertidor Cúk se muestra en la figura.15. Figura.15.- Circuito Cúk. 34

22 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. La operación del circuito se puede dividir en modos. Durante el modo 1, el transistor esta activo en t=0. La corriente se eleva a través del inductor L1. Simultáneamente, el voltaje en el capacitor C1 pone en polarización inversa al diodo D1 y lo desactiva. El capacitor C1 descarga su energía en el circuito formado por C1, C, la carga y L. El modo empieza cuando se desconecta el transistores t=t1. Se carga el capacitor C1 a partir del suministro de entrada y la energía almacenada en el inductor L se transfiere a la carga. El diodo D1 y el transistor proporcionan una conmutación síncrona. El capacitor C1 es el medio para la transferencia de energía de la fuente a la carga. [1]. El voltaje medio de salida de convertidor Cúk esta definido por: αs = 1 α La corriente media en la bobina es igual a la corriente media en la salida esto es: I L med = Donde es la resistencia de carga y está calculada por =, P La corriente máxima, mínima y media para L1 en modo continuo se muestran a continuación: I L 1 med = α ( 1 α ) 35

23 Donde Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. es la componente ondulatoria de corriente (o rizo de corriente) en L1 I L1 Y I L el la componente ondulatoria de corriente (o rizo de corriente) en L. Así mismo para la bobina L, en modo continuo: I med L = El voltaje en el capacitor C1 C1 S = 1 α Las inductancias se calculan de la mediante las siguientes ecuaciones S L1 = α f I L1 L = α f I S L Y por último las capacitancias C1 y C se calculan con las ecuaciones: C 1 = I L1 ( 1 α ) C1 f C = α S 8L f C 36

24 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Idealmente, las formas de onda de salida así como la de entrada son similares al circuito anterior. Donde C1 es la componente de voltaje ondulatorio (o rizo de voltaje) en C1y C es la componente de voltaje ondulatorio en la salida..4.- Convertidores CD/CA. Los circuitos implementados en este programa son: medio puente y puente H con carga resistiva únicamente. También llamados inversores de onda cuadrada y son muy utilizados actualmente en dispositivos de seguridad para apagones eléctricos, No break, también muy utilizados en autos y camiones para invertir de un voltaje de CD de 1 olts a un voltaje de CA de 10 olts. 37

25 Medio puente. Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. El primero de los circuitos, el medio puente, se muestra en la figura.16. Figura.16.- Diagrama esquemático del medio puente H. Su funcionamiento es bastante simple, fácil de implementar y controlar. equiere únicamente transistores de potencia. Cuando el transistor 1 se conecta (y se desactiva el transistor ) la corriente fluye a través de T1, la carga y C lo cual provoca que en la resistencia de carga la polaridad sea positiva en el extremo derecho y negativa en el izquierdo. El voltaje en la fuente a su vez se divide en, la mitad cae en la resistencia de carga y la otra mitad cae en C. Cuando el transistor 1 se desactiva y se activa el transistor ahora la corriente fluye a través del capacitor C1, la larga y el transistor, lo cual provoca que la polaridad sea positiva en el extremo izquierdo de la carga y y negativa en el derecho. 38

26 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. De igual manera, el voltaje en la fuente se divide en, la mitad apara la resistencia de carga y la otra mitad cae en el capacitor C1. La forma de onda de salida del medio puente se muestra a en la figura.17. Figura.17.- Forma de onda de entrada y salida del medio puente. s El voltaje de salida del medio puente es, rms = Por simetría, el voltaje medio es cero, med = 0, por lo tanto la corriente media en la carga también es cero. La corriente MS en la carga esta definido por, rms Io, rms = donde es la resistencia de carga, rms =. P 39

27 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia Puente H. El puente H similar al medio puente con la ventaja de que a su salida proporciona ± s. A diferencia de que el medio puente sólo proporciona a la carga la mitad del voltaje de entrada. El diagrama esquemático del puente H se muestra en la figura.18. Figura.18.- Diagrama esquemático del puente H. Compuesto ahora de 4 transistores de potencia. Si se activan los transistores 1 y ( y se desactivan los transistores 3 y 4 ) la corriente fluye de la fuente hacia el transistor 1, la carga y el transistor. De esta manera la polaridad en la carga es positiva en el extremo izquierdo y negativo en el derecho. El voltaje en la carga es exactamente el mismo que el de la fuente. 40

28 Capítulo.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Por otro lado cuando se activan los transistores 3 y 4 y se desactivan los transistores 1 y, la corriente fluye desde el transistor 4, la carga, y el transistor 3. Así la polaridad en la carga es positiva en el extremo derecho de la carga y negativa en el izquierdo. La forma de onda de entrada y salida se muestra en la figura.19. Figura.19.- Forma de onda de salida del puente H. El voltaje rms de salida para el puente H es, rms = s. La corriente MS en la carga esta definido por, rms Io, rms = donde es la resistencia de carga, rms =. P 41

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