TABLA DE CONTENIDO CAPÍTULO 1 CAPÍTULO 2 CAPÍTULO 3

(1)

TABLA DE CONTENIDO

CAPÍTULO 1

1.1 INTRODUCCIÓN 9

1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS RECTIFICADORES 11 1.3 ESTUDIO DE ONDAS PERIÓDICAS Y ANÁLISIS DE FOURIER 12 1.3.1 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UNA SEÑAL ALTERNA 12

1.3.2 POTENCIA 14

1.3.3 DESARROLLO EN SERIE DE FOURIER 16

BIBLIOGRAFÍA 24

CAPÍTULO 2

2.1 INTRODUCCIÓN 27

2.2 RECTIFICADORES MONOFÁSICOS 28

2.2.1 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA 28 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA CON CARGA RL 35 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA CON CARGA RLE 43 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA, CON DIODO VOLANTE, CARGA RL 51 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA, CON DIODO VOLANTE, RLE 53 2.2.2 RECTIFICADORES MONOFÁSICOS DE ONDA COMPLETA 54 RECTIFICADOR CON TRANSFORMADOR DE TOMA INTERMEDIA 54

PUENTE RECTIFICADOR CON DIODOS 58

2.3 RECTIFICADORES POLIFÁSICOS 68

2.3.1 RECTIFICADORES POLIFÁSICOS DE MEDIA ONDA 68 RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA 73 2.3.2 PUENTE RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA 78

BIBLIOGRAFÍA 90

CAPÍTULO 3

3.2 RECTIFICADORES CONTROLADOS MONOFÁSICOS 93 3.2.1 RECTIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA 93 RECTIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA CON CARGA L 101 RECTIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA CON DV Y CARGA L 106 RECTIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA CON CARGA RLE 109 3.2.2 PUENTE RECTIFICADOR MONOFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO 111 3.2.3 PUENTE RECTIFICADOR MONOFÁSICO SEMICONTROLADO O MIXTO 127 3.3 RECTIFICADORES CONTROLADOS POLIFÁSICOS 130 3.3.1 RECTIFICADOR CONTROLADO POLIFÁSICO DE MEDIA ONDA 130 RECTIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO DE MEDIA ONDA 131 3.3.2 PUENTE RECTIFICADOR TRIFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO 142 3.3.3 PUENTE RECTIFICADOR TRIFÁSICO SEMICONTROLADO 156 3.4 ALIMENTACIÓN DE UNA CARGA RL 163

3.4.1 CONDUCCIÓN CONTINUADA 165

3.4.2 CONDUCCIÓN DISCONTINUA 167

3.4.3 CARACTERÍSTICAS DE CONTROL 168

3.5 FACTOR DE POTENCIA 170

3.5.1 FACTOR DE POTENCIA EN RECTIFICADORES MONOFÁSICOS 170

A) CON CARGA RESISTIVA 170

B) CON CARGA ALTAMENTE INDUCTIVA 173 3.5.2 FACTOR DE POTENCIA EN RECTIFICADORES POLIFÁSICOS 173

3.6 CONMUTACIÓN 177

(2)

3.6.1 CONMUTACIÓN EN RECTIFICADORES MONOFÁSICOS CONTROLADOS CON

TRANSFORMADOR DE TOMA INTERMEDIA 177 3.6.2 CONMUTACIONES EN PUENTES RECTIFICADORES TRIFÁSICOS 181

BIBLIOGRAFÍA 183

CAPÍTULO 4

4.2 FINALIDAD 187

4.3 TIPOS DE FILTROS 189

4.3.1 FILTRO POR CONDENSADOR 190

ANÁLISIS APROXIMADO DEL FILTRO POR CONDENSADOR 190 TIEMPOS DE CONDUCCIÓN Y NO CONDUCCIÓN 193

4.3.2 FILTRO POR BOBINA 199

4.3.3 FILTRO LC 202

4.4 DOBLADORES DE TENSIÓN 208

4.4.1 DOBLADOR DE TENSIÓN SIMÉTRICO 208 4.4.2 DOBLADOR DE TENSIÓN CON TERMINAL COMÚN 209

4.5 CURVAS DE REGULACIÓN 212

BIBLIOGRAFÍA 214

CAPÍTULO 5

5.2 REGULADORES 217

5.2.1 ESTRUCTURA 217

5.2.2 CLASIFICACIÓN 218

5.2.3 TIPOS DE FUENTES 219

5.2.4 TIPOS DE REGULADORES LINEALES 219

A) REGULADOR EN SERIE 219

B) REGULADOR EN PARALELO 219

DIFERENCIAS ESENCIALES 220

5.3 FUENTES REGULADAS DE TENSIÓN 220 5.3.1 REGULADOR DE TENSIÓN SERIE (POR SEGUIDOR DE EMISOR) 220 5.3.2 REGULADOR DE TENSIÓN PARALELO (CON DERIVACIÓN) 221 ELEMENTOS DEL REGULADOR EN SERIE 221

REGULADOR SERIE COMPLETO 225

5.3.2 REGULADORES DE TRES TERMINALES 226

CARACTERÍSTICAS 227

BIBLIOGRAFÍA 228

CAPÍTULO 6

6.2 FUNDAMENTOS DE LOS CONVERTIDORES DC/DC 233 6.2.1 CONVERTIDORES DC/DC CONMUTADOS. CONCEPTO 233 6.2.2 TOPOLOGÍA GENERAL DE UN CONVERTIDOR DC/DC. (CARGA RESISTIVA PURA) 234 6.2.3 TOPOLOGÍA GENERAL DE UN CONVERTIDOR DC/DC. (CARGA INDUCTIVA) 239

6.2.4 CICLO DE TRABAJO. 242

6.2.5 CLASIFICACION DE LOS CONVERTIDORES DC/DC SEGÚN EL MODO 243 6.3 CLASIFICACIÓN DE LOS CONVERTIDORES DC/DC 245 6.4 TIPOS DE CONVERTIDORES DC/DC. TOPOLOGÍAS. 249

6.4.1 CONVERTIDORES TIPO A 249

CONVERTIDOR STEP-DOWN (REDUCTOR, DIRECTO) 249

CONVERTIDOR STEP-UP (ELEVADOR) 270

6.4.2 CONVERTIDORES TIPO B. 278

(3)

6.4.3 CONVERTIDORES TIPO C. 282

6.4.4 CONVERTIDORES TIPO D. 291

6.4.5 CONVERTIDORES TIPO E. 293

6.5 APLICACIÓN DE LOS CONVERTIDORES DC/DC 304 6.5.1 CONTROL DE MOTORES MEDIANTE TROCEADORES. 304 6.5.2 CIRCUITOS REALES DE CONTROL DE MOTORES. 306 TROCEADOR DE DOS CUADRANTES PARA VEHÍCULO ELÉCTRICO. 306 CONTROL DE MOTORES C.C. APLICACIÓN AL GUIADO DE UNA UNIDAD MÓVIL. 308 6.6 INTRODUCCIÓN A LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS. 313 6.6.1 CONVERTIDOR BUCK (REDUCTOR) 313 6.6.2 CONVERTIDOR BOOST (ELEVADOR) 323 6.6.3 CONVERTIDOR BUCK-BOOST (ELEVADOR-REDUCTOR) 330

BIBLIOGRAFÍA 336

CAPÍTULO 7

7.1.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. 340 7.2 CONFIGURACIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA 342 7.2.1 TRANSFORMADOR CON TOMA MEDIA. 342 7.2.2 BATERIA CON TOMA MEDIA. 346

7.2.3 PUENTE MONOFASICO. 358

7.2.4 PUENTE TRIFÁSICO. 376

ÁNGULO DE CONDUCCIÓN DE 180º. 377

ÁNGULO DE CONDUCCIÓN DE 120º. 387

7.3 MODULACIONES BÁSICAS 393

7.3.1 REGULACIÓN DE LA TENSIÓN DE SALIDA. 393 MODULACIÓN EN ANCHURA DE UN PULSO POR SEMIPERIODO. 394 MODULACIÓN EN ANCHURA DE VARIOS PULSOS POR SEMIPERÍODO. 404

MODULACIÓN SENOIDAL. 411

MODULACIÓN SENOIDAL MODIFICADA. 423

MODULACIÓN CON ALTERNANCIAS POSITIVAS Y NEGATIVAS EN CADA SEMIPERÍODO. 425 MODULACIÓN EN MODO DE CONTROL DE CORRIENTE (POR BANDA DE HISTÉRESIS). 427

7.4 FILTRADO 429

7.4.1 FILTRADO DE LA TENSIÓN DE SALIDA. 429 7.4.2 DISEÑO DE UN FILTRO DE TENSIÓN. 431 7.5 INVERSOR COMO FUENTE DE INTENSIDAD 448 7.6 DISPARO Y CONMUTACIÓN DE UN INVERSOR 452

7.7 APLICACIONES 457

7.6.1 SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE C.A. 457 7.6.2 SISTEMAS DE CONVERSIÓN DE ENERGIA FOTOVOLTAICA. 459

BIBLIOGRAFÍA 462

ANEXO

CAPITULO 6 465

CAPITULO 7 474

SOLUCIONES A LAS CUESTIONES TIPO TEST 481

CAPITULO 6 481

CAPITULO 7 481

(4)

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN A LOS RECTIFICADORES

1.1 Introducción

Los convertidores alterna-continua, también conocidos como rectificadores, son muy utilizados, ya que gran parte de la energía eléctrica demandada se hace en forma de corriente continua.

Un sistema rectificador comprende las siguientes partes:

- Transformador de alimentación.

- El conjunto rectificador en si (compuesto por los dispositivos semiconductores).

- Filtro (para reducir el factor de ondulación de la tensión rectificada).

- Circuitos o dispositivos de protección y de maniobra.

Junto a la rectificación, también tenemos un proceso como la conmutación que es el procedimiento de transferencia de corriente de un dispositivo semiconductor a otro.

A continuación pasamos a definir una serie de conceptos asociados a dicho proceso y que se van a manejar habitualmente durante el estudio:

Grupo de conmutación: Es el grupo de dispositivos semiconductores que periódica y consecutivamente conmutan independientemente de otros grupos. Tenemos varios tipos de grupos atendiendo a la forma de asociación:

- Grupo de conmutación en paralelo (r): Número de grupos de conmutación co- nectados en paralelo.

(5)

10 CONVERTIDORES ESTÁTICOS

Juan D. Aguilar Peña. Departamento de Electrónica. Universidad de Jaen. España

- Grupo de conmutación en serie (s): Número de grupos de conmutación conec- tados en serie.

Índice de conmutación (q): Es el número de conmutaciones por grupo de conmutación durante un periodo de la señal de entrada. Coincide con el número de dispositivos semiconductores en un grupo de conmutación.

Índice de pulsación (p): Número de conmutaciones debidas a la conmutación de los grupos durante un periodo de la tensión de entrada.

p

=

(q)(r)(s)

Conmutación natural: Considerando un rectificador m-fásico, el diodo que conducirá en cada momento será el que esté alimentado por la fase más positiva.

Fig 1. 1

Circuito rectificador m-fásico.

En el esquema de la figura 1.1, cuando conduce D1 se cumplirá que:

V

1 =

V

_D1+

R

Para la tensión de fase del secundario, en este caso D1 conduce, porque le llega la tensión más positiva del secundario e impide la conducción de cualquier otro diodo.

El sistema aplica a la carga en cada instante la tensión más positiva, e impide la conducción de cualquier otro diodo con respecto al neutro, del sistema m-fásico.

Cuando otra fase adquiera una tensión superior a V1, tendremos una conmuta- ción efectuada de forma natural; cada diodo conducirá 2Β/q. En la figura 1.2, podemos ver representada la forma de onda de la tensión en la carga.

(6)

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS RECTIFICADORES 11

Juan D. Aguilar Peña. Departamento de Electrónica. Universidad de Jaen. España Fig 1. 2

Forma de onda de la tensión en la carga en un rectificador m-fásico, no controlado.

Conmutación natural controlada:Si en el esquema de la figura 1.1, sustituimos los diodos por tiristores, la conmutación ya no se realizará de forma espontánea al superar la tensión instantánea de otra fase la del tiristor que se encuentra conduciendo. En este caso la conmutación se llevará acabo bajo las órdenes del sistema de control.

Imaginemos que conduce el tiristor T1. Transcurrido un tiempo será el circuito de control el que indique la entrada en conducción del siguiente tiristor.

Fig 1. 3

La zona sombreada corresponde a la tensión suministrada a la carga durante el tiempo de conducción del tiristor. El ángulo de conduc- ción en cada tiristor será, por lo tanto, de 2Β/q.

1.2 Clasificación de los Rectificadores

Los rectificadores los vamos a englobar en dos grupos:

- Rectificadores no controlados.

- Rectificadores controlados.

(7)

En el grupo de los no controlados se incluyen aquellos montajes en los que se utiliza el diodo como dispositivo rectificador y en el otro grupo tendremos los que utilizan dispositivos controlables, los tiristores, y que son conocidos como rectificadores controlados. Si en estos últimos sólo se usan tiristores, serán totalmente controlados, y si se utilizan tiristores y diodos se les llamará semicontrolados.

1.3 Estudio de ondas periódicas y análisis de Fourier

1.3.1 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UNA SEÑAL ALTERNA Período (T): Tiempo que abarca una onda completa de la señal alterna:

segundo radianes

pulsación T segundos

T 2 /

2

= = = =

= ω π

ω π

Frecuencia (f): Número de ciclos que se producen en un segundo:

( ) 2

/ 1 1

ω

= π

=

ciclo segundo hercio Hz

f T

E 1. 1 ω=

2

π

f

Valor instantáneo “v” o “i”: Es el que tiene la tensión o la corriente alterna para cada valor de t o de ∀. (Se representa con letra minúscula).

α ω

α

ω

t V Sen i t I Sen t I Sen Sen

V t

v ( )

= _max = _max

( )

= _max = _max ^{E 1. 2} Valores máximos (Vmax) (Imax): Se corresponden con la cresta (máximo) y con el valle (mínimo), situdados en t=T/4 ó ∀=Β/2 y en t=3T/4 ó ∀=3Β/2.

rms

I I

V

_max =

2

_max =

2

^{E 1. 3}

Valor medio (Vdc) (Idc): Es la media aritmética de todos los valores instantáneos de un determinado intervalo. El valor medio de un período completo es cero, ya que la señal en el semiperiodo positivo es igual que en el negativo, pero de signo opuesto:

∫

⁼

∫

= ^T _dc ^T

dc

idt

I T T vdt

V

0 0

1 1

E 1. 4

(8)

Valor eficaz (Vrms) (Irms): El valor eficaz de una señal alterna es el equivalente al de una señal constante, cuando aplicadas ambas señales a una misma resistencia durante un período igual de tiempo, desarrollan la misma cantidad de calor. Y también como:

∫

⁼

= ^T _rms ^T

rms

i dt

I T dt

T v

V

0

2 0

2

1

E 1. 5

Factor de forma y factor de rizado: Las señales de tensión y corriente a la salida del rectificador estarán formadas por la superposición del valor medio correspondiente y por una señal de ondulación formada por un término senoidal principal y por sus armó- nicos:

v

=

V

_dc +

v

_ac ^{E 1. 6}

Para determinar la magnitud de las ondulaciones respecto del valor medio se usan dos coeficie ntes:

a) Factor de forma (FF): Es la relación entre el valor eficaz total de la magnitud ondulada y su valor medio.

b) Factor de rizado (RF): Es la relación entre el valor eficaz de las componentes alternas de la señal y su valor medio, y nos determinará el rizado de la señal.

dc rms

V

FF

=

V

E 1. 7

1

²

1

2

−

=

 −

 

= 

→

=

FF

V RF V

dc rms

dc

ac E 1. 8

Componente alterna de una tensión (Vac):

V

²rms =

V

²dc +

V

²ac →

V

ac =

V

²rms −

V

²dc ^{E 1. 9}

Factor de cresta (CF): Para una intensidad determinada será:

I

rms

CF

=

I

^max ^{E 1. 10}

Hay que destacar que la nomenclatura a utilizar en este y posteriores temas para el caso de las tensiones en los rectificadores será la siguiente:

Vmax = Tensión máxima de fase.

VFS = Valor eficaz de la tensión de fase.

(9)

VLS = Valor eficaz de la tensión de linea.

VS = Tensión eficaz en el secundario del transformador.

1.3.2 POTENCIA

Al suministrar una tensión sinusoidal, v(t)=Vmax CosΤt, a una impedancia Z=ZλΝ , se establece una intensidad de corriente i(t)=Imax Cos(Τt-Ν). La potencia total consumida por la impedancia en el instante t, será:

(

^ω ^φ

)

^φ

(

^ω ^φ

)

ω − = + −

=

v t i t V I Cos tCos t V I Cos V I Cos t t

p ( ) ( ) ( )

_max _max _ef _ef _ef _ef

2

E 1. 11

Donde

V

_ef =

V

_max

2 , I

_ef =

I

_max

2 e I

_ef =

V

_ef

Z .

La potencia instantánea según la ecuación anterior consta de una componente sinusoidal,

^V

ef

^I

ef

^Cos ( 2

^{ω −}

^t

^φ

)

más un valor constante, que es el valor medio de la potencia.

Potencia media en la carga o activa (Pmed =Pa): La potencia neta o media que consu- me una carga durante un periodo se denomina potencia activa (Pa). Como el valor medio de Cos(2Τt-Ν) en un periodo completo es cero, de la ecuación E 1.11 se obtiene:

P

_a =

V

_ef

I

_ef

Cos

φ ^{E 1. 12}

Cuando nos referimos al secundario de un transformador, la ecuación quedará como sigue:

P

_a =

V

_S

I

_S

Cos

φ ^{E 1. 13}

donde VS e IS son los valores eficaces en el secundario del transformador.

Para valores continuos la expresaremos como:

P

_a =

P

_dc =

V

_dc

I

_dc ^{E 1. 14}

La unidad de la potencia media o activa es el watio (W).

Potencia eficaz en la carga o reactiva (PR = Pac): Si un circuito pasivo contiene bobi- nas, condensadores o ambos tipos de elementos, una parte de la energía consumida durante un ciclo se almacena en ellos y posteriormente vuelve a la fuente. Durante el período de retorno de la energía, la potencia es negativa. La potencia envuelta en este

(10)

intercambio se denomina potencia reactiva. Aunque el efecto neto de la potencia reactiva es cero, su existencia degrada la operación de los sistemas de potencia. La potencia reactiva se define como:

P

_R =

V

_S

I

_S

Sen

φ ^{E 1. 15}

La unidad de la potencia reactiva es el voltamperio reactivo (VAr).

Potencia aparente (S): Las dos componentes Pa y PR tienen diferentes significados y no pueden ser sumados aritméticamente. Sin embargo, pueden ser representados apro- piadamente en forma de una magnitud vectorial denominada potencia compleja S, que se define como S=Pa+jPR. El módulo de esta potencia es a lo que se denomina potencia aparente y su expresión sería:

S

=

P

_a² +

P

_R² =

V

_S

I

_S ^{E 1. 16}

La unidad de la potencia aparente es el voltamperio (VA).

Factor de utilización de un transformador (TUF):

( ^V ê Î ^son ^los ^valores ên êl ^secundario )

_S _S

S P I V

TUF P

^dc

S S

dc =

= ^{E 1. 17}

Rendimiento de la rectificación (00): sirve para estudiar la efectividad del rectificador:

ac dc

P

=

P

η ^{E 1. 18}

Factor de potencia (FP): La relación de la potencia media o activa, con el producto VefIef (en nuestro caso VSIS) es a lo que se denomina factor de potencia:

S S

a

I V

FP

=

P

0

≤

FP

≤

1

E 1. 19

Ángulo de desplazamiento o desfase (ΝΝ): Es la diferencia de ángulo entre las compo- nentes fundamentales de la corriente y la tensión de entrada.

Factor de desplazamiento (FD): Cos Ν.