r CONTENIDO PRÓlOGO xv CAPíTULO 1. INTRODUCCiÓN I 1.1. Introducción... l 1.2. Clasificación de los convertidores 2 1.3. Interruptores electrónicos 3 El diodo 3 Tiristores 4 Transistores 5 la. Selección de los interruptores 8 1.5. SPICE y PSpice Il 8 1.6. Los interruptores en PSpice 10 El interruptor controlado por tensión 10 Transistores II Diodos II Dispositivos SCR 13 Problemas de convergencia en PSpice 14 1.7. Comparación de resultados de simulación en PSpice 15 Bibliografía 15 Problemas 16
VIII CAPíTULO 2. CÁLCULOS DE POTENCIA. 2.1. Introducción. 2.2. Potencia y energía. Potencia instantánea. Energía. Potencia media. 2.3. Bobinas y condensadores. 2.4. Recuperación de la energía.. Transistor en conducción: O < t < t 1.. Transistor en corte: t 1 < t < T. Transistores en conducción: O < t < t 1. Transistores en corte: t 1 < t < T.. 2.5. Valor eficaz o valor cuadrático medio.. 2.6. Potencia aparente y factor de potencia.. La potencia aparente, S. Factor de potencia. 2.7. Cálculos de potencia en circuitos de alterna con señales sinusoidales T.. 2.8. Cálculos de potencia para formas de ondas periódicas no sinusoidales ~~. Las series de Fourier. Potencia media. Fuente no sinusoidal y carga lineal. Fuente sinusoidal y carga no lineal. 2.9. Cálculos de potencia usando PSpice. 2.10. Resumen. Potencia instantánea y media. Recuperación de energía. Valores eficaces (rms). Formas de ondas no sinusoidales.. PSpice. CAPíTULO 3. RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA: FUNDAMENTOS BÁSI- COS DE ANÁLISIS. 3.1. Introducción. 3.2. Carga resistiva. Creación de una componente de continua utilizando un interruptor electrónico. 3.3. Carga resistiva-inductiva. 3.4. Simulación mediante PSpice.. Uso de programas de simulación para cálculo numérico.. 3.5. Carga RL-generador. Alimentación de un generador de corriente continua a partir de un generador de corriente alterna. 3.6. Carga bobina-generador. Uso de la inductancia para limitar la corriente.. 20 20 23 24 26 27 28 30 32 40 40 40 40 42 42 43 44 45 49 56 57 58 58 59 60 60 62 65 65 65 65 67 72 72 76 76 80 80
IX 3.7. El diodo de libre circulación 82 Creación de una corriente continua 82 Reducción de los armónicos de la corriente de carga 86 3.8. Rectificador de media onda con un filtro de condensador 88 Creación de una tensión 'continua a partir de un generador de alterna 88 3.9. El rectificador de media onda controlado 94 Carga resistiva 96 Carga R-L 97 Carga RL-generador 100 3.10. Soluciones de PSpice para rectificadores controlados 102 Modelado del SCR en PSpice,... 102 3.11. Conmutación 105 Efecto de la inductancia del generador,. 105 3.12. Resumen 107 Problemas 108 Rectificador de media onda con carga resistiva 108 Rectificador de media onda con carga R-L 108 Rectificador de media onda con carga RL-generador 109 Diodo de libre circulación 110 Rectificador de media onda con un condensador de filtro 110 Rectificador de media onda controlado 111 Conmutación,. 112 Designación de problemas 113 7 ~ 2 5 CAPíTULO 4. RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETA V TRIFÁSICOS: CONVERSiÓN CA-CC. 4.1. Introducción,. 4.2. Rectificadores monofásicos de onda completa. El rectificador en puente. El rectificador con transformador de toma media.. Carga resistiva '". Carga R-L. Armónicos del generador. Simulación en PSpice,. Carga RL-generador. Filtro de salida basado en condensador. Dobladores de tensión. Salida con filtro L-C. Corriente continua para la salida con filtro L-C.. Corriente discontinua para la salida con filtro L-C.. 4.3. Rectificadores controlados de onda completa. Carga resistiva. Carga R-L, corriente discontinua. Carga R-L, corriente continua. Simulación en PSpice de los rectificadores controlados de onda completa. Rectificador controlado con carga RL-generador. lis 115 115 118 118 1 1 123 123 126 128 131 132 133 134 138 139 140 142 145 146
X El convertidor monofásico controlado operando como un inversor. 4.4. Rectificadores trifásicos. 4.5. Rectificadores controlados trifásicos. Simulación en PSpice de los rectificadores controlados trifásicos. Rectificadores de doce pulsos. El convertidor trifásico operando como un inversor. 4.6. Transmisión de potencia continua. 4.7. Conmutación: el efecto de la inductancia del generador. Rectificador monofásico en puente. Rectificador trifásico. 4.8. Resumen. Rectificadores monofásicos no controlados '". Rectificadores monofásicos controlados. Rectificadores trifásicos no controlados.. Rectificadores trifásicos controlados. Problemas de diseño. CAPíTULO 5. CONTROLADORES DE TENSiÓN ALTERNA: CONVERTIDO- RES CA-CA. 5.1. Introducción. 5.2. El controlador de tensión alterna monofásico.. Funcionamiento básico. Controlador monofásico con carga resistiva.. Controlador monofásico con carga R-L. Simulación en PSpice de los controladores de tensión alterna monofásicos " 5.3. Controladores trifásicos de tensión. Carga resistiva conectada en estrella.. Carga R-L conectada en estrella. Carga resistiva conectada en triángulo. 5.4. Control de la velocidad de los motores de inducción.. 5.5. Control de VAR estático (compensador estático de reactiva). 5.6. Resumen. Controladores de tensión monofásicos. Controladores de tensión trifásicos. CAPíTULO 6. CONVERTIDORES CC-CC. 6.1. Reguladores lineales de tensión. 6.2. Un convertidor conmutado básico. 6.3. El convertidor reductor. Relaciones entre la tensión y la corriente., '". Rizado de la tensión de salida,..,,. 6.4. Consideraciones de diseño, '". 6.5. El convertidor elevador. 149 151 156 157 160 162 164 168 168 169 171 171 171 173 175 175 176 177 177 177 177 179 182 186 187 187 2 4 6 7 8 8 8 200 201 201 202 203 203 208 211 " 212
r XI ~ 1 6 1 O 2 4 8 8 9 '1 11 11 '3 '5 '5 r6 17 17 17 17 ~2 B6 B7 B7 92 94 96 97 98 98 98!OO m!ol!o2 W3 W3 208 \ \ Zll Z12 RelacIOnes entre la tensión y la corriente 212 Rizadu de la tensión de salida 216 6.6. El convertidor reductor-elevador 217 Relaciones entre la tensión y la corriente 218 Rizado de la tensión de salida.. 222 6.7. El convertidor éuk 223 6.8. Efectos no ideales en el funciunamiento de un convertidor 228 Caídas de tensión en los interruptores 228 Resistencia del condensador: efecto en el rizado 229 Resistencia de la bobina 230 Pérdidas de conmutación 231 6.9. Funcionamiento con corriente discontinua 233 Convertidor reductor con corriente discontinua 233 Convertidor elevador con corriente discontinua 236 6. JO. Simulación en PSpice de los convertidores CC-CC 239 Un modelo conmutado en PSpice 240 Un modelo de circuito promediado 243 6.11. Resumen 248 Bibliografía 249 Problemas 250 Convertidores lineales 250 Convertidor conmutado básico 251 Convertidor reductor 251 Convertidor elevador 252 Convertidor reductor-elevador 253 Convertidor éuk 253 Efectos no ideales 254 Corriente discontinua 254 PSpice 254 CAPíTULO 7. FUENTES DE ALIMENTACiÓN DE CORRIENTE CONTINUA.. 257 7.1. Introducción 257 7.2. Modelos de transformadores 257 7.3. El convertidor fiyback 259 Análisis con el interruptor cerrado 259 Análisis con el interruptor abierto.. 261 Modo de corriente discontinua en el convertidor fiyback 266 Resumen del funcionamiento del convertidor fiyback 268 7.4. El convertidor forward 268 Análisis con el interruptor cerrado 268 Análisis con el interruptor abierto 270 Resumen del funcionamiento del convertidor forward 273 7.5. Convertidor forward con dos interruptores 275 7.6. El convertidor push-pull 277 Interruptor Sw 1 cerrado 277
XII Interruptor Sw 2 cerrado '". Ambos interruptores abiertos. Resumen del funcionamiento del convertidor push-pull. 7.7. Convertidores CC-CC en puente completo y en semi-puente. 7.8. Convertidores alimentados en corriente.. Sw cerrado y Sw 2 abierto. Sw abierto y SW 2 cerrado. Sw y SW 2 cerrados. 7.9. Convertidores con múltiples salidas.. 7.10. Elección de convertidores. 7.11. Simulación en PSpice de las fuentes de alimentación de continua. Convertidor flyback. Convertidor forward '" '" Convertidor push-pull. Convertidor alimentado en corriente.. 7.12. Control de las fuentes de alimentación, '" '".. Estabilidad del bucle de control. Análisis en pequeña señal. Función de transferencia del interruptor. Función de transferencia del filtro '". Función de transferencia del circuito PWM. Amplificador de error con compensación.. Diseño de un amplificador de error compensado.. Simulación en PSpice del control por realimentación.. Circuitos de control PWM.. Convertidor flyback. Convertidor forward. Convertidor push-pull. Convertidor alimentado en corriente. PSpice. Control. CAPíTULO 8. INVERSORES: CONVERSiÓN DE CONTINUA EN ALTERNA.. 8.1. Introducción. 8.2. El puente convertidor de onda completa. 8.3. El inversor de onda cuadrada. 8.4. Análisis mediante series de Fourier. 8.5. Distorsión armónica total. 8.6. Simulación en PSpice de los inversores de onda cuadrada. 8.7. Control de armónicos y de amplitud. 8.8. El inversor en medio puente.. 8.9. Salida con modulación por anchura de impulsos.. Conmutación bipolar. Conmutación unipolar. 8.10. Definiciones y consideraciones relativas a la modulación PWM.. 279 279 280 281 284 286 286 287 288 289 289 290 291 292 293 294 294 295 296 297 298 298 301 305 306 308 310 310 310 311 311 312 312 315 315 316 317 321 323 324 327 331 333 333 333 335
XIII 8.11. Armónicos en la modulación PWM 337 Conmutación bipolar 337 Conmutación unipolar..,,. 341 8.12. Simulación de inversores con modulación por anchura de impulsos.. 342 PWM bipolar 342 PWM unipolar 346 8.13. Inversores trifásicos 351 Inversor de seis pasos 351 Inversor trifásico PWM 354 8.14. Simulación en PSpice de los inversores trifásicos 356 Inversores trifásicos de seis pasos 356 Inversores trifásicos PWM 357 8.15. Control de velocidad de motores de inducción 358 8.16. Resumen. Bibliografía 360 Problemas 360 Inversor de onda cuadrada y análisis de Fourier 360 Control de armónicos y de amplitud 361 Inversores con modulación por anchura de impulsos 362 Inversores trifásicos 363 CAPíTULO 9. CONVERTIDORES RESONANTES. 9.1. Introducción. 9.2. Convertidor conmutado resonante: conmutación a corriente cero. Funcionamiento básico. Análisis para O < t < ti. Análisis para ti < t < t 2. Análisis para t 2 < t < t 3.......................................... Análisis para t 3 < t < T. Tensión de salida. 9.3. Convertidor conmutado resonante: conmutación a tensión cero. Funcionamiento básico. Análisis para O < t < t 1. Análisis para ti < t < t 2. Análisis para t 2 < t < t 3................................................. Análisis para t 3 < t < T. Tensión de salida. 9.4. El inversor resonante serie. Pérdidas de conmutación. Control de amplitud. 9.5. Convertidor CC-CC resonante serie. Funcionamiento básico '". Funcionamiento para W s > W o. Funcionamiento para w 2 /2 < w, < W o. Funcionamiento para W s < w o /2. Variantes del convertidor CC-CC resonante serie. 365 365 366 366 368 368.369 370 370 372 372 373 375 376 377 377 379 381 381 385 385 385 391 392 392 l_.
XIV 9.6. Convertidor CC-CC resonante paralelo. 9.7. Convertidor CC-CC serie-paralelo. 9.8. Comparación de convertidores resonantes. 9.9. El convertidor resonante con paso intermedio por corriente continua. 9.10. Resumen. Convertidor resonante de conmutación a corriente cero. Convertidor resonante de conmutación a tensión cero.. Inversor resonante. Convertidor CC-CC resonante serie. Convertidor CC-CC resonante paralelo. Convertidor CC-CC serie-paralelo. Convertidor resonante con paso intermedio por corriente continua. CAPíTULO 10. CIRCUITOS DE EXCITACiÓN Y DE PROTECCiÓN.. 10.1. Introducción. 10.2. Circuito de excitación para MOSFET. 10.3. Circuitos de excitación para el transistor bipolar. loa. Circuitos de excitación de tiristor. 10.5. Circuitos de protección para el transistor.. 10.6. Circuitos de protección de recuperación de energía. 10.7. Circuitos de protección para el tiristor. 10.8. Resumen. Circuitos de excitación para MOSFET. Circuito de excitación del transistor bipolar.. Circuitos de protección. APÉNDICE A. SERIES DE FOURIER PARA ALGUNAS FORMAS DE ONDAS COMUNES. Las series de Fourier. Sinusoide rectificada de media onda (Figura A.I) '" '". Sinusoide rectificada de onda completa (Figura A.2). Rectificador trifásico en puente (Figura A.3). Forma de onda pulsante (Figura AA) '" Onda cuadrada (Figura A.5). Onda cuadrada modificada (Figura A.6). Inversor trifásico de seis pasos (Figura A.7).. APÉNDICE B. PROMEDIO DEL ESPACIO DE ESTADOS. Pequeña señal y régimen permanente. Ecuaciones de estado para el convertidor reductor. 393 39"'7 400 400 404 404. 404 404 405 406 406 406 407 40' 409 409 409 416 420 421 429 431 431 431 432 432 432 432 435 435 436 436 437 438 438 439 439 441 442 443 446 índice. 447