CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA Aprovechando las características de conmutación de los dispositivos semiconductores de potencia, se puede controlar la potencia eléctrica de una forma a otra de acuerdo con las necesidades de la carga. La figura 19, muestra todas las posibilidades de conversión de potencia eléctrica. Figura 19. Conversiones de potencia eléctrica Los circuitos que convierten AC en DC se denominan rectificadores. Cuando funcionan con base en diodos se les denominaría rectificadores no controlados, cuando funcionan con base a tiristores (SCR, GTO) se les denomina rectificadores controlados o convertidores AC-DC y rectificadores semicontrolados cuando emplean diodos y tiristores. Su propósito es eliminar un semiciclo de la corriente sinusoidal o que en la carga ambos semiciclos sean de la misma polaridad para que el valor promedio de esta nueva tensión sea diferente de cero. El voltaje de entrada al rectificador puede ser monofásico o trifásico. Puede que se utilice transformador para aumentar o disminuir la tensión de entrada y acondicionarla a las necesidades de la carga (Véase la figura 20). 1
Figura 20. Tipos de rectificadores Los circuitos que convierten DC en AC se denominan inversores. Se utilizan para alimentar cargas AC a partir de fuentes DC. Los inversores pueden ser monofásicos o trifásicos. La figura 21 muestra la concepción de tales circuitos. En la mayoría de los casos los dispositivos de conmutación son transistores BJT o MOSFET y la onda seno de salida del inversor se filtra para obtener una onda seno pura. + + V F - V C - + V O - VF V C V O tiempo -V F 2
Figura 21. Principio del circuito inversor Los circuitos que convierten AC en AC se denominan convertidores AC- AC y pueden tener dos aplicaciones. La primera dejando la frecuencia constante y modificando el valor RMS de la tensión alterna, se les denomina, controladores de fase. La segunda aplicación es dejando el valor RMS constante y modificando la frecuencia, se les denomina cicloconvertidores. Los convertidores AC-AC pueden ser monofásicos o trifásicos. La figura 22 muestra un controlador de fase monofásico. Figura 22. Principio del circuito control de fase Los circuitos que convierten DC en DC se denominan pulsadores DC. Existen dos tipos de estos convertidores: reductores y elevadores. La figura 23 muestra un convertidor DC-DC reductor. 3
Figura 23. Principio del circuito convertidor DC-DC reductor El interruptor por lo general es un BJT o un MOSFET y el voltaje de salida Vo es igual al producto entre el ciclo de trabajo (Ton/T) y el voltaje de la fuente de alimentación Vg. Todos los anteriores circuitos mencionados anteriormente, efectúan conversión de potencia eléctrica cambiando la forma del voltaje de la fuente de energía, pero los circuitos interruptores estáticos no hacen conversión, sino, como su nombre lo indica actúan como elementos conmutadores todo o nada, similares a los de naturaleza mecánica. Se les denomina estáticos ya que no hay piezas mecánicas en movimiento. Los hay de dos tipos, para aplicaciones DC y AC (monofásicos y trifásicos). La figura 24 muestra los circuitos básicos de los interruptores estáticos DC y AC monofásicos. INTERRUPTOR ESTATICO DC INTERRUPTOR ESTATICO AC MONOFASICO Figura 24. Principio de los circuitos interruptores estáticos DC y AC 4
CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-DC CON DIODOS DE POTENCIA Introducción Como ya se describió anteriormente el propósito de un circuito rectificador es el de tomar una onda sinusoidal (AC) y convertirla en una onda unidireccional o de una sola polaridad. Los circuitos rectificadores se pueden clasificar en rectificadores de media onda y de onda completa ya sean monofásicos o trifásicos. Antes de entrar a los detalles de funcionamiento de tales circuitos, es necesario primero hacer un breve repaso del principio de funcionamiento de los diodos rectificadores y sus parámetros de selección ya que esta función es propia de los ingenieros electrónicos cuando diseñan y construyen o cuando hacen mantenimiento a este tipo de circuitos. DIODOS RECTIFICADORES TIPOS DE ENCAPSULADO Los diodos que se estudiarán en este apartado serán los rectificadores de baja frecuencia (60 Hz) ya que son los más utilizados en electrónica de potencia y se dejaran de lado los diodos rápidos (fast) y los Schotkky, ya que en la mayoría de sus aplicaciones son reemplazados sobresalientemente por tiristores y dispositivos BJT, MOSFET e IGBT. La figura 25 presenta los diferentes tipos de encapsulados empleados en los diodos de potencia. En el caso de los diodos rectificadores de baja frecuencia, los encapsulados mas empleados son el de tipo cerámico para aplicaciones de alta tensión y corriente, el de tipo tornillo para aplicaciones de bajo voltaje y corriente y el de tornillo con cable de extensión para aplicaciones de media tensión y corriente. 5
Figura 25. Tipos de encapsulado de diodos rectificadores de potencia CARACTERISTICAS ESTÁTICAS Se refieren al comportamiento del diodo en los estados de encendido (conducción, ON) y apagado (bloqueo, OFF) trabajando en baja frecuencia en donde los tiempos de recuperación directa e inversa (características dinámicas) no se toman en cuenta, ya que no son relevantes en esta condición. La figura 26 muestra la curva característica de un diodo rectificador modelado de forma real. 6
Figura 26. Curva característica de los diodos rectificadores de potencia El cuadrante I, presenta el comportamiento cuando el diodo se encuentra polarizado directamente y por lo tanto se encuentra encendido y el cuadrante III, cuando se encuentra polarizado inversamente y por lo tanto se encuentra apagado. También muestra los circuitos que lo modelan en los estados mencionados anteriormente de forma respectiva. Los parámetros de selección de un diodo rectificador de baja frecuencia básicamente son los siguientes: Del estado de encendido: 1. Intensidad medio nominal (I FAV ) o I DC : Es el máximo valor promedio de la corriente que el diodo puede soportar a determinada temperatura del encapsulado (normalmente a 110 C máximo). Se calcula con la fórmula de la ecuación 1: 2. Intensidad de pico repetitivo (I FRM ): Máxima intensidad que puede ser soportada cada 16.7 ms (60 Hz) por tiempo indefinido, con duración de pico de 1 ms a determinada temperatura del encapsulado (normalmente a 110 C máximo) Del estado de apagado: 3. Tensión inversa de trabajo (V RRM ): Tensión inversa máxima que puede ser soportada por el diodo en picos de 1 ms repetidos cada 8.3 ms por tiempo indefinido sin peligro de avalancha. TENSIONES DE FASE DE UNA RED TRIFASICA En este punto es necesario hacer un breve repaso del principio de funcionamiento de una red AC trifásica. La figura 27 muestra los voltajes de fase trifásicos medidos con respecto al neutro. Las fases se denominan R, S y T y el neutro N. La fase R (color rojo) parte del origen de la base de tiempos y por lo tanto su ángulo de fase es cero. La fase S (color azul) se encuentra atrasada con respecto a R 120, es decir que inicia a partir de 2π/3 radianes. La fase T (color marrón) se 7
encuentra atrasada con respecto a R 240, que es igual a estar adelantada 120, es decir que inicia a partir de 4π/3 radianes. Figura 27. Tensiones de fase Las ecuaciones que describen el comportamiento senoidal de la corriente alterna son las siguientes: V R = V MF sen ωt; (Ecuación 2), V S = V MF sen (ωt 120); (Ecuación 3), V T = V MF sen (ωt + 120); (Ecuación 4), Donde V MF, es el voltaje pico de la onda seno y es igual a: 2 V RMS. En Colombia, en instalaciones residenciales e industriales de baja tensión el valor RMS de las tensiones de fase es de 120 V y por lo tanto el pico es de 170 V aproximadamente. Así mismo, ω, es la velocidad angular medida en radianes por segundo y es igual a 2πf, donde f, es la frecuencia lineal y en nuestro país esta es de 60 Hz. En conclusión: V MF = 2 V RMS; (Ecuación 5), ω = 2πf; (Ecuación 6). RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA No se considerará en este apartado los rectificadores monofásicos de media onda y onda completa ya que están suficientemente explicados en la literatura de 8
electrónica general, mas bien se estudiarán los rectificadores trifásicos. La figura 28 muestra como a partir de la red trifásica AC se rectifica y se entrega corriente continua a motores DC, hornos de inducción, hornos de fundición, procesos electrolíticos de galvanoplastia, etc. Como el rectificador trifásico de media onda trabaja con voltajes de fase se hará una breve repaso de los sistemas eléctricos trifásicos. Figura 28. Concepción de un rectificador trifásico Las ventajas de los rectificadores trifásicos con respecto a los monofásicos son las siguientes: Mayor potencia de salida Mayor tensión DC a la salida Menor rizado en la tensión de salida Menores exigencias para el filtro de salida Mejor factor de potencia La figura 29 muestra un rectificador trifásico de media onda con carga resistiva. 9 N
Figura 29. Rectificador trifásico de media onda con carga resistiva Con respecto a la figura 29 se pueden hacer las siguientes observaciones: El transformador empleado es del tipo estrella estrella (Y-Y). Un transformador trifásico equivale a conectar a 3 monofásicos. El punto común de los arrollamientos secundarios es el neutro, N. Si solo se usara un arrollamiento secundario, se tendría un rectificador monofásico de media onda. El rectificador trifásico de media onda consiste en conectar tres rectificadores monofásicos de media onda en paralelo. Cuando cualquiera de los diodos conduce a la carga le queda conectada la fase respectiva, por lo tanto en este tipo de rectificador, se trabaja con tensiones de fase. Sólo un diodo conduce a la vez, ya que si lo hicieran dos o tres al mismo tiempo se presentaría un cortocircuito. La figura 30, muestra la condición para que el diodo D1 entre en conducción y le quede aplicada a la carga la fase R. 10
Figura 30. Rectificador trifásico de media onda con carga resistiva. Diodo 1 en conducción Análisis del intervalo 30 (π/6 radianes) hasta los 150 (5 π/6 radianes): La fase R se encuentra en el semiciclo positivo y es la que toma los mayores valores de tensión, por lo tanto el diodo D1 es el que queda polarizado directamente y entra en conducción (ON). La fase S se encuentra en el semiciclo negativo, por lo tanto el diodo D2 se encuentra polarizado inversamente y de esta manera queda bloqueado (OFF). La fase T, aunque durante un corto intervalo se encuentra en el semiciclo positivo, como D1 conduce, al cátodo D2 le queda la fase R con mayor tensión que su ánodo y por lo tanto queda polarizado inversamente (OFF). El diodo D1 conduce durante 120. La figura 31, muestra la condición para que el diodo D2 entre en conducción y le quede aplicada a la carga la fase S. 11
Figura 31. Rectificador trifásico de media onda con carga resistiva. Diodo 2 en conducción Análisis del intervalo 150 (5π/6 radianes) hasta los 270 (3π/2 radianes): La fase S se encuentra en el semiciclo positivo y es la que toma los mayores valores de tensión, por lo tanto el diodo D2 es el que queda polarizado directamente y entra en conducción (ON). La fase T se encuentra en el semiciclo negativo, por lo tanto el diodo D3 se encuentra polarizado inversamente y de esta manera queda bloqueado (OFF). La fase R, aunque durante un corto intervalo se encuentra en el semiciclo positivo, como D2 conduce, al cátodo D1 le queda la fase S con mayor tensión que su ánodo y por lo tanto queda polarizado inversamente (OFF). El diodo D2 conduce durante 120. La figura 32, muestra la condición para que el diodo D3 entre en conducción y le quede aplicada a la carga la fase T. 12
Figura 32. Rectificador trifásico de media onda con carga resistiva. Diodo 3 en conducción Análisis del intervalo 270 (3π/2 radianes) hasta los 390 (π/6 radianes): La fase T se encuentra en el semiciclo positivo y es la que toma los mayores valores de tensión, por lo tanto el diodo D3 es el que queda polarizado directamente y entra en conducción (ON). La fase R se encuentra en el semiciclo negativo, por lo tanto el diodo D1 se encuentra polarizado inversamente y de esta manera queda bloqueado (OFF). La fase S, aunque durante un corto intervalo se encuentra en el semiciclo positivo, como D3 conduce, al cátodo D2 le queda la fase T con mayor tensión que su ánodo y por lo tanto queda polarizado inversamente (OFF). El diodo D3 conduce durante 120. La figura 33 sirve para calcular el valor DC de la tensión de salida del rectificador de media onda con carga resistiva. V MF V MF V DC = V MF V MF V MF 13
Figura 33. Onda de salida del Rectificador trifásico de media onda con carga resistiva. Para calcular el valor promedio (V DC ) de una tensión se utiliza la siguiente ecuación: Para aplicar esta ecuación es necesario determinar el periodo en radianes, como se muestra a continuación: ωt = 5π/6 - π/6 = 2π/3 radianes Lo anterior implica que el periodo de la onda rectificada es 1/3 de la onda seno de cualquiera de las fases y por lo tanto la frecuencia es tres veces mayor, es decir, 180 Hz. Para aplicar la ecuación 7 se utilizará la ecuación de tensión de la fase R, integrada entre los límites π/6 y 5π/6. Resolviendo la ecuación 8 se obtiene el valor promedio o DC de la tensión de salida del rectificador trifásico de media onda con carga resistiva: 14
Recordando que el valor DC de la tensión de salida de un rectificador monofásico de onda completa es 2V MF / π, entonces, la tensión de salida del rectificador trifásico de media onda es 1.3 veces mas grande, es decir, al emplear un rectificador trifásico de media onda se logra un aumento del 30%, lo cual justifica utilizarlo. Ahora se puede calcular el valor de la corriente DC que circula por la carga R L de la siguiente manera: I DC = V DC / R L ; (Ecuación 10) También es importante calcular el valor DC de la corriente a través de los diodos (I DDC ) ya que este es un parámetro de selección (I FAV ). Como los tres diodos están conectados al mismo nodo de la carga y como las tensiones de la fase tienen la misma magnitud, la corriente DC por estos es 1/3 de la corriente DC por la carga: I DDC = V DC /(3 R L ); (Ecuación 11) Se calculará ahora el valor eficaz o RMS de la corriente por cada diodo que corresponde a la corriente por fase de cada devanado secundario del transformador que sirve para determinar el calibre del conductor de los mismos y también para determinar la potencia del secundario. En radianes el periodo de la corriente por los diodos es 2π radianes, por lo tanto la corriente eficaz por el diodo 1 correspondiente a la fase R es: Resolviendo la ecuación 12 se obtiene: I DRMS = 0.4854 I MF ; (Ecuación 13), donde I MF esta dado por: I MF = V MF / R L ; (Ecuación 14), La especificación en potencia aparente S en VA del transformador suponiendo que es ideal (cero perdidas de potencia) será: S = 3 V FRMS I DRMS = 2.06 V FRMS 2 / R L ; (Ecuación 15). Es importante analizar ahora las tensiones de polarización inversa que soportan los diodos del rectificador cuando se encuentras apagados (OFF) para asegurarse de que no entrarán en avalancha al exceder el límite de (V RRM ). La figura 34 muestra la condición del circuito cuando el diodo D1 se encuentra abierto debido a que D2 conduce, durante el intervalo 5π/6 y 3π/2. 15
Figura 34. Tensión de polarización inversa del diodo D1 cuando D2 conduce. En este caso la tensión del ánodo con respecto a tierra es la tensión de fase R y la del cátodo es la de la fase S, por lo tanto, la diferencia de tensión entre ánodo y cátodo es V RS, que corresponde a una tensión de línea en un sistema trifásico, que es 3 veces mayor que una tensión de fase, como se explicará en el apartado siguiente. La figura 35 muestra la condición del circuito cuando el diodo D1 se encuentra abierto debido a que D3 conduce, durante el intervalo 3π/2 y π/6. 16
Figura 35. Tensión de polarización inversa del diodo D1 cuando D3 conduce. En este caso la tensión del ánodo con respecto a tierra es la tensión de fase R y la del cátodo es la de la fase T, por lo tanto, la diferencia de tensión entre ánodo y cátodo es V RT, que corresponde a una tensión de línea en un sistema trifásico, que es 3 veces mayor que una tensión de fase. En vista de lo anterior, la máxima tensión de pico inverso es: V RRM = 3 V MF ; (Ecuación 16) La figura 36 muestra los valores del factor de forma (FF) que se considera como una medida de la tensión de salida en donde se halla el cociente entre el valor RMS y el DC. También se muestra el valor del factor de la componente ondulatoria definida como el cociente entre el valor eficaz de todas las componentes sinusoidales que conforman la onda (serie trigonométrica de Fourier) y el valor DC. V MF 17
Figura 36. Factor de Forma y Factor de Rizado TENSIONES DE LINEA DE UNA RED TRIFASICA Las cargas trifásicas se pueden conectar entre las fases y el neutro, como se conectó el transformador en el rectificador trifásico de media onda, en este caso se dice que la carga está alimentada por voltajes de fase. También se pueden conectar entre las fases sin utilizar el neutro, en este caso se dice que la carga está alimentada por los voltajes de línea V RS, V ST y V TR. La figura 37 ilustra cómo se obtienen los voltajes de línea a partir de los de fase y la relación entre estos. Como puede observarse una tensión de línea se obtiene a partir de las diferencias entre dos tensiones de fase. V RS = V R - V S = 3 V MF sen (ωt + 30); (Ecuación 17), V ST = V S V T = 3 V MF sen (ωt - 30); (Ecuación 18), V TR = V T V R = 3 V MF sen (ωt + 150); (Ecuación 19), De las ecuaciones anteriores se puede concluir: Que las tensiones de línea son 3 veces más grandes que las de fase, por eso en Colombia, como el voltaje de fase es de 120 V RMS, el voltaje de línea es de 208 V RMS aproximadamente. 18
Las tensiones de línea adelantan a las de fase en 30. Las tensiones de línea al igual que las de fase se encuentran defasadas entre si 120. Figura 37. Tensiones de línea de una red trifásica 19