TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO
INSTITUTO TECNOLÓGICO de Tuxtepec
ACTIVIDAD:
Elaborar una presentación Electrónica Interactiva utilizando la herramienta Genially.
MATERIA:
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DOCENTE:
HUGO ABRAHAM PACHECO REYES
TEMA 3:
CONVERTIDORES DE ENERGÍA
PRESENTAN:
- ALEMÁN ARENAS CÉSAR EDUARDO
- GARCÍA VARELA LUIS
- GONZALEZ JUAN DANIEL
- LEANDRO HERNADEZ HIRAM JARDIEL
- RAMÓN ANDRÉS SILVERIO
San Juan Bautista Tuxtepec Oaxaca, a 15 de septiembre del 2023
Introducción.
Un convertidor de potencia es un circuito eléctrico que convierte la energía eléctrica de una forma en otra, normalmente utilizando una acción de conmutación de alta frecuencia. Esta conversión puede ser de corriente continua a corriente alterna o de corriente alterna a corriente continua para aumentar o disminuir la tensión o cambiar la polaridad. Además, el convertidor actúa como enlace entre la fuente de alimentación y la salida de la fuente de alimentación. Funciona para procesar y controlar el flujo de energía eléctrica suministrando corrientes y tensiones en la forma necesaria para las cargas del usuario final. Los convertidores están disponibles en forma de simple transformador o quizá más complejos, según la aplicación. Este artículo trata de los distintos tipos de convertidores de potencia. La corriente alterna (CA) se refiere a la corriente eléctrica que invierte periódicamente su dirección. Este es el tipo de corriente que alimenta su casa o negocio. Es la toma de corriente a la que se enchufan los aparatos. Los dispositivos de los alternadores producen corrientes alternas. En cambio, la corriente continua (DC) fluye sólo en una dirección. En una corriente continua, los electrones se desplazan de una región de carga negativa a una región de carga positiva sin cambiar su dirección. La fuente de energía más frecuente para la corriente continua son las pilas, que alimentan teléfonos móviles, automóviles y linternas.
1. Convertidores CA-CC
(Rectificadores)
1.1 Definición
Un rectificador es el dispositivo electrónico que permite convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio (actualmente en desuso).
Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases.
Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando solo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados.
Figura 1 Rectificador CA-CC
1.2 Principio de funcionamiento
La corriente generada por el alternador trifásico no es adecuada para la batería ni tampoco para la alimentación de los consumidores del vehículo. Es necesario rectificarla. Una condición importante para la rectificación es disponer de diodos de potencia aptos para funcionar en un amplio intervalo de temperatura.
El rectificador esta, formado por un puente de 6 o 9 diodos de silicio, puede ir montado directamente en la carcasa lado anillos rozantes o en un soporte (placa) en forma de "herradura", conexionados a cada una de las fases del estator, formando un puente rectificador, obteniéndose a la salida del mismo una tensión de corriente continua. Los diodos se montan en esta placa de manera que tres de ellos quedan conectados a masa por uno de sus lados y los otros tres al borne de salida de corriente del alternador, también por uno de sus lados. El lado libre de los seis queda conectado a los extremos de las fases de las bobinas del estator.
Figura 2 Diagrama del rectificador
Circuitos Rectificadores De Media Onda
Es construido con un diodo ya que este puede mantener el flujo de corriente en una sola dirección, se puede utilizar para cambiar una señal de CA a una de CC.
Cuando la tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza en directo y se puede sustituir por un corto circuito. Si la tensión de entrada es negativa el diodo se polariza en inverso y se puede reemplazar por un circuito abierto. Por tanto cuando el diodo se polariza en directo, la tensión de salida a través de la carga se puede hallar por medio de la relación de un divisor de tensión. Sabemos además que el diodo requiere 0.7 voltios para polarizarse, así que la tensión de salida está reducida en esta cantidad (este voltaje depende del material de la juntura del diodo). Cuando la polarización es inversa, la corriente es cero, de manera que la tensión de salida también es cero. Este rectificador no es muy eficiente debido a que durante la mitad de cada ciclo la entrada se bloquea completamente desde la salida, perdiendo así la mitad de la tensión de alimentación.
Figura 3 Diagrama rectificador de media onda
Circuitos Rectificadores De Onda Completa
Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada en una polaridad constante (positiva o negativa) en la salida, mediante la inversión de las porciones (semiciclos) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Las porciones positivas (o negativas) se combinan con las inversas de las negativas (positivas) para producir una forma de onda parcialmente positiva (negativa).
Figura 4 Diagrama rectificador de onda completa
Rectificador De Onda Completa Mediante Dos Diodos Con Transformador De Dos Diodos
El transformador convierte la tensión alterna de entrada en otra tensión alterna del valor deseado, esta tensión es rectificada durante el primer semiciclo por el diodo D1 y durante el segundo semiciclo por el diodo D2, de forma que a la carga R le llega una tensión continua pulsante muy impura ya que no está filtrada ni estabilizada.
En este circuito tomamos el valor de potencial 0 en la toma intermedia del transformador.
Figura 5 Diagrama rectificador de onda completa mediante dos diodos con transformador de dos diodos
Rectificador De Onda Completa Tipo Puente Doble De Graetz
Se trata de un rectificador de onda completa en el que, a diferencia del anterior, sólo es necesario utilizar transformador si la tensión de salida debe tener un valor distinto de la tensión de entrada. se realiza mediante filtros RC (resistencia-capacitancia) o LC (inductancia-capacitancia), obteniéndose finalmente a la salida una corriente continua con un rizado que depende del filtro y la carga, de modo que, sin carga alguna, no existe rizado. Debe notarse que este filtro no es lineal, por la existencia de los diodos que cargan rápidamente los condensadores, los cuales, a su vez, se descargan lentamente a través de la carga.
La tensión de rizado (Vr) será mucho menor que V si la constante de tiempo del condensador R·C es mucho mayor que el período de la señal. Entonces consideraremos la pendiente de descarga lineal y, por tanto, Vr = Vpico·T / (R·C) Siendo R·C la cte de tiempo del condensador, T el período de la señal y Vpico la tensión de pico de la señal.
Figura 6 Diagrama Rectificador de onda completa tipo puente doble de Graetz
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Un tiristor es un dispositivo especialmente popular en Electrónica de Potencia. Es sin duda el dispositivo electrónico más robusto que permite conmutar y controlar cantidades de energía muy elevadas. Este tipo de semiconductores se compone de cuatro capas P-N-P-N y ofrece dos estados estables, uno de conducción y otro de bloqueo. Entre los diferentes tipos, el rectificador controlado de silicio (SCR) es el más utilizado.
El tiristor consta habitualmente de tres electrodos: un ánodo (terminal positivo), cátodo (terminal negativo) y por último la puerta (disparo), del inglés Gate, que permite controlar la conducción entre ánodo y cátodo. También existen otras configuraciones de tiristores de dos o cuatro patas.
El tiristor es adecuado para conmutar y controlar grandes cantidades de energía, como por ejemplo controlar la velocidad de motores DC.
Figura 7 Tiristor
Tipos de tiristores
Rectificador controlado de silicio (SCR): interruptor unidireccional capaz de conmutar cantidades importantes de energía, se cierra con un pulso de corriente de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero.
SCR
Tiristor GTO (Gate Turn-Off): se enciende por un solo pulso de corriente positiva en el terminal puerta (G), al igual que el SCR, pero permite el apagado con un pulso negativo en el mismo terminal de puerta.
GTO
Interruptor controlado de silicio (SCS): es un componente similar a un SCR, con la diferencia que este tiristor cuenta con un terminal de puerta adicional. Este terminal permite ejercer más control sobre el dispositivo, particularmente en el modo de conmutación forzada, donde una señal externa lo obliga a apagarse mientras que la corriente principal a través del dispositivo aún no ha caído por debajo del valor de la corriente de retención.
SCS
Tipos de tiristores
TRIAC: recibe su nombre del término inglés TRIode for Alternating Current que corresponde a tríodo para corriente alterna. Los triac son similares a los SCR, pero conducen en ambas direcciones (dispositivo bidireccional). Esto significa que puede conmutar corrientes AC y DC.
TRIAC
DIAC: Diac es una mezcla de las palabras "diodo" e "interruptor ac", es similar al diodo de cuatro capas, pero puede conducir en ambas direcciones, lo que significa que puede usar en aplicaciones de corrientes AC y DC
DIAC
Diodo de cuatro capas: este componente cuenta con un ánodo y un cátodo. Cuando se aumenta la tensión entre ambos polos y se supera la tensión de ruptura, el diodo conmuta del estado de bloqueo al estado de conducción.
Shockley
1.4 Aplicaciones
Se utilizan en las fuentes de alimentación para convertir la corriente alterna en corriente continua, un proceso llamado rectificación. También se utilizan en otros circuitos en los que debe pasar una gran corriente a través del diodo.
Como parte integral de un chip de silicio, los diodos se encuentran en una amplia gama de dispositivos electrónicos.
En un horno de microondas, por ejemplo, un diodo funciona junto con un capacitor para duplicar el voltaje transmitido al magnetrón de la cavidad (que genera las microondas).
Los diodos de rectificación tienen muchas más aplicaciones. Otras aplicaciones típicas de los diodos rectificadores son:
• Aislamiento de señales de un suministro
• Referencia de voltaje
• Controlar el tamaño de una señal
• Mezcla de señales
• Señales de detección
• Sistemas de iluminación
• Diodos láser
Figura 8 Aplicaciones
2. Convertidores CC-CC
(Troceadores o fuentes conmutadas)
1.1 Definición
Un convertidor de CC a CC es una clase de suministro de energía que convierte una fuente de corriente continua (CC) de un nivel de tensión a otro. Hay dos tipos de convertidores de CC/CC: lineales y conmutados. Un convertidor de CC/CC emplea una disminución de tensión resistiva para crear y regular una tensión de salida determinada, un convertidor de CC/CC conmutado convierte mediante el almacenamiento de energía de entrada periódicamente y la posterior liberación de esa energía en la salida con una tensión diferente. El almacenamiento puede ser en un componente de campo magnético como un inductor o transformador, o en un componente de campo eléctrico como un capacitor. Los convertidores basados en transformadores proporcionan aislamiento entre la entrada y la salida.
Figura 9 Convertidor CC/CC marca Orión
1.2 Principio de funcionamiento
Se requieren varios niveles de voltaje para que los circuitos electrónicos funcionen correctamente. Un convertidor CC/CC (CC/CC) es un circuito electrónico que se utiliza para convertir un nivel de tensión en otro. O proporcione una barrera de aislamiento para el bus de voltaje. CC/CC se usa típicamente en sistemas de distribución de energía para proporcionar conversión de voltaje localizada, regulación de voltaje de carga o aislamiento de bus de energía.
Figura 10 Diagrama de un convertidor CC/CC
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Transistor
Un transistor es un equipo electrónico que tiene como objetivo realizar la entrega de una señal de salida con relación a una señal de entrada. Los transistores de potencia son dispositivos semiconductores que tiene una estructura de funcionamiento igual a los transistores normales, pero con la característica de poder percibir y generar altas potencias.
Figura 11 Transistores
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Hay tres tipos de transistores de potencia que describiremos a continuación: Transistores de potencia bipolar: Es un instrumento con dos uniones (PN) que se encuentran muy unidas. Este tipo de transformador permite aumentar la corriente, disminuyendo el voltaje y puede controlar la energía por medio de sus terminales.
Figura 12 Transistores de potencia bipolar
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Esta clasificación se subdivide en transistores bipolares (NPN y PNP) y su diferenciación radica en los materiales con los cuales son construidos, así como el sentido de la corriente de polarización.
Transistores de potencia unipolares: Este dispositivo está compuesto por una capa semiconductora tipo N sobre un material tipo P. Su campo eléctrico puede controlar la conducción de un canal.
Figura 13 Transistores de potencia unipolares
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Transformadores de potencia IGBT: Es compatible con velocidades y potencias altas, por lo que su utilidad para el control de la tracción en motores es habitual, así como su aplicación como fuente de energía conmutada.
En el mercado hay otra clasificación vinculada al tipo de utilidad de los transformadores de potencia que describiremos a continuación:
Transformadores de potencia tipo seco: Este instrumento es aplicable en situaciones de incendio, en pequeños espacios y en interiores. Su característica de refrigeración los convierte en el elemento ideal para este tipo de situaciones.
Transformadores de potencia de tipo aceite: Como lo indica su nombre, el núcleo se encuentra en aceite, siendo su principal característica. Se utilizan para trasmisión de energía en mediana y alta tensión, entre otros.
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Tiristores
El tiristor (gr.: puerta) es una familia de componentes electrónicos constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Es un dispositivo análogo al tiratrón, un tipo de válvula electrónica también utilizado para controlar la corriente. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales (SCR) o bidireccionales (Triac o DIAC). Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica. Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR); Aunque en realidad la forma correcta es clasificar al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC.
Figura 14 Tiristor SCR
1.4 Aplicaciones
Los convertidores CC/CC son ampliamente utilizados en electrónica de potencia, en fuentes de alimentación continúas conmutadas (generalmente con un transformador de aislamiento) y en aplicaciones de accionamiento de motores.
Los convertidores CC-CC de alto voltaje son mucho más grandes y pesados que sus homólogos de bajo voltaje debido al blindaje adicional necesario para proteger los componentes cercanos de las interferencias electromagnéticas generadas por el aumento de la corriente. Dado que los diseñadores de vehículos eléctricos buscan reducir el tamaño y el peso siempre que sea posible para ampliar la autonomía de los vehículos, recurren a convertidores de CC a CC con una mayor densidad de potencia, medida en kilovatios de potencia por unidad de volumen.
Para pasar de 400 u 800 V a 12 V se necesita un convertidor de CC a CC con una potencia que oscila entre los 700 W y los 4 kW, o incluso hasta los 12 kW en el caso de un vehículo comercial.
1.4 Aplicaciones
El software que ejecuta el convertidor CC-CC es clave para garantizar que la conversión siga siendo eficiente, y el conocimiento de toda la arquitectura del vehículo informa el diseño del software y el hardware. Aunque los componentes de alto voltaje para vehículos son un territorio relativamente nuevo para la industria, Aptiv se basa en décadas de conocimiento sobre lo que los OEM necesitan para liderar las soluciones de electrificación de vehículos. Los vehículos definidos por software del futuro deben ser lo suficientemente eficientes en cuanto a espacio y energía para permitir las funciones que los OEM y los consumidores esperan, como las actualizaciones por aire, la ciberseguridad, la conducción autónoma, la seguridad avanzada y las experiencias de usuario de última generación.
Figura 15 Vehículos del futuro con softwares CC/CC
3. Convertidores CC-CA
(Inversores)
1.1 Definición
Un convertidor de potencia continua-alterna es un dispositivo que se encarga, por conmutación de un voltaje continuo de entrada en una secuencia predeterminada, de generar una tensión alterna cuya magnitud, frecuencia y fase pueden ser controladas. (Garcia, 2022)
Los convertidores CC/CA, también llamados inversores, se pueden representar con el siguiente símbolo:
Figura 16 Símbolo de un inversor monofásico
Si el convertidor genera una señal de salida trifásica, debe representarse con este símbolo:
Figura 17 Símbolo de un inversor trifásico
1.2 Principio de funcionamiento
- Etapa de entrada: alimenta al sistema a través de una tensión o corriente continua.
- Etapa intermedia: a través de los polos o interruptores de potencia se conmuta la señal continua de entrada para transformarla en una señal alterna. En el apartado de Análisis de convertidores CC/CA se profundizará en este tema.
- Etapa de filtrado: filtra esta señal conmutada para eliminar los armónicos no deseados y mejorar su calidad. También se abordará este tema en el apartado de Análisis de convertidores CC/CA.
- Etapa de salida: transfiere la señal alterna generada a la carga que se conecte.
Figura 18 Etapas básicas de los convertidores CC/CA
1.2 Principio de funcionamiento
Figura 19 Estructura y forma de onda de un inversor de dos niveles
Figura 20 Estructura y forma de onda de un inversor multinivel
Figura 21 Señales de control de los transistores del inversor Push-Pull.
1.2 Principio de funcionamiento
Figura 23 Tensión de salida en un inversor monofásico controlado por variación de continua
Figura 22 Formas de onda de un inversor trifásico equilibrado
Figura 25 Tensión de salida del un inversor controlado por PWM.
Figura 24 Tensión de salida en un inversor monofásico controlado por desplazamiento de fase
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
- MOSFET de potencia (Transistores).
Los transistores MOSFET de potencia trabajan en forma similar a los dispositivos para pequeña señal. Aplicando tensión entre la puerta G y la fuente S se controla la formación y altura del canal conductor entre la fuente S y el drenador D. Al aplicar una tensión VDS adecuada se controla el flujo de carga que atraviesa el dispositivo. Difieren en sus características constructivas de los MOSFET de baja potencia.
Figura 26 MOSFET de potencia
Debido a su extensa área de unión, los valores de corriente y resistencia térmica de este diodo son los mismos que el MOSFET de potencia, limitando el comportamiento en conmutación en altas frecuencias debido a su gran tiempo de recuperación inversa. Una forma de eliminar este problema para usar al dispositivo en frecuencias altas en colocar en paralelo con el diodo interno un diodo ultra-rápido que asegure que el diodo parásito no conduzca. Cuando el MOSFET se usa en conmutación la región de trabajo alterna entre las regiones de corte y saturación. En esta última región el canal se comporta como un resistor RDS(on) constante, cuyo valor es directamente proporcional a la variación vDS e iD para cada valor de vGS.
Figura 27 MOSFET de potencia
- Transistor de inducción estática (SIT)
Otro tipo de dispositivo de potencia es el transistor de inducción estática (SIT). El SIT es un dispositivo que puede manejar alta potencia y alta frecuencia. Su construcción es similar a un JFET de canal corto. Se activa y corta por una tensión aplicada a la puerta manejando tensiones de hasta 1200 V y corrientes de hasta 300 A con velocidades de conmutación de 100 kHz. Como desventaja la caída de tensión en conducción es de valor alto limitando las aplicaciones. Además es muy sensible al proceso de fabricación. El SIT es un dispositivo unipolar o de portadores mayoritarios donde el flujo de electrones de la fuente al drenador se controla por un potencial de barrera con forma de silla de montar entre las puertas metálicas, Figura 13. Dependiendo del dopado y la geometría la altura del potencial de barrera se modula entre la puerta y el drenador. Las características de salida del SIT son no saturadas parecidas a una válvula triodo de vacío, Figura 14. Se utiliza como dispositivo de microondas.
Figura 28 Transistor de inducción estática (SIT)
- Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo que combina características de los MOSFET y los BJT. En su estructura física es similar al MOSFET y en su operación eléctrica al BJT. Se controla por tensión como el MOSFET. Presenta muy alta impedancia de entrada y pocas pérdidas durante la conducción. Se pueden conectar en paralelo formando módulos que manejan altas intensidades de corriente. Es más rápido que un BJT pero más lento que un MOSFET. La Figura 15 muestra el símbolo esquemático, la estructura física y el modelo equivalente simplificado.
Figura 29 Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT))
- Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
El IGBT es un dispositivo controlado por tensión que se activa aplicando una tensión positiva en la puerta y se desactiva al quitar esta polarización. Cuando se polariza positiva la puerta respecto al emisor, electrones son atraídos al canal P cerca de la región de la compuerta, produciendo una polarización directa de la base del transistor NPN encendiendo al dispositivo.
Figura 30 Características eléctricas del IGBT.
Constituyen una amplia familia de dispositivos semiconductores biestables. Sintéticamente, se describen como conmutadores de estado sólido que actúan como dispositivos de alta impedancia hasta que son disparados. En esas condiciones se vuelven dispositivos de muy baja impedancia. Pueden permanecer en ese estado mientras que la intensidad de corriente no disminuya por debajo de un valor límite denominado corriente de mantenimiento IH. Una vez que el dispositivo conmutó al estado de conducción el circuito de disparo puede ser removido sin que el dispositivo se bloquee o apague.El tipo más común es el denominado SCR (Rectificador controlado de Silicio). Otros tipos de dispositivos de la misma familia son: GTO (Tiristor de apagado por puerta), RCT (Tiristor de conducción inversa), SITH (Tiristor de inducción estática), LASCR (Rectificador controlado activado por luz), MCT (Tiristor controlado por MOS), ETO (Tiristor apagado por emisor).
Figura 31 Diferentes tipos de tiristores
1.4 Aplicaciones
- Variadores de velocidad de motores de CA
Variadores de velocidad de motores de CA: [2] Una aplicación de los convertidores CC/CA es la variación de velocidad en motores de corriente alterna. Un ejemplo de ellos sería el motor de inducción con rotor de jaula de ardilla, el cual se muestra en la siguiente figura:
Si un motor de inducción trifásico está conectado a la red eléctrica, trabajará a una velocidad y par fijos, dependientes de la frecuencia y tensión de la red. Los variadores de velocidad permiten convertir esta velocidad y par fijos en magnitudes variables.
Figura 33 Etapas de un variador de frecuencia
Figura 32 Despiece de un motor de inducción de Jaula de Ardilla
- Sistemas de alimentación ininterrumpida
En ciertas situaciones es imprescindible que la alimentación eléctrica de los sistemas sea interrumpible y de calidad. Esto quiere decir que no se produzcan cortes en la red, distorsiones, perturbaciones u otra serie de problemas que pudieran afectar al funcionamiento de estos sistemas.
Figura 34: Estructura típica de un SAI
- Conversión de frecuencia de la red
En esta aplicación el convertidor CC/CA trabajará del mismo modo que en la de "Variadores de velocidad de motores de CA". Si disponemos de una red de corriente alterna a una frecuencia determinada, para variar ese valor de frecuencia debemos rectificar la señal a corriente continua, filtrarla y luego transformarla de nuevo a alterna gracias al inversor. Esto puede ser útil cuando queremos trabajar con un sistema que funcione a 60Hz y nuestra red sea de 50Hz.
Los paneles solares captan la energía procedente del sol y producen corriente continua. Para utilizar esta energía en las instalaciones domésticas o industriales hay que transformarla a corriente alterna. Para ello utilizaremos convertidores CC/CA, los cuales se pueden conectar de varias formas a los módulos fotovoltaicos:
- Inversor central: disponemos de un único inversor conectado a varios módulos fotovoltáicos en serie y paralelo.
Figura 35
- Inversor por cadena: en este caso disponemos de varios inversores de menor tamaño, conectados cada uno a una rama de módulos fotovoltaicos en serie.
Figura 36
- Inversor por módulo (microinversor): cada módulo fotovoltaico está asociado a un inversor de menor tamaño.
Figura 37
Los vehículos eléctricos suelen incorporan un motor de corriente alterna de gran potencia. Para poder suministrarle esta corriente alterna, tendremos que transformar la corriente continua de las baterías utilizando un convertidor CC/CA.
Figura 38 Tipos de convertidores usados en un vehículo eléctrico
4. Convertidores CA-CA
(Cicloconvertidores)
1.1 Definición
Es un dispositivo capaz de convertir corriente alterna con una frecuencia determinada a corriente alterna con una frecuencia menor a la inicial, cambiándola de manera directa sin una conversión intermedia de CA a CD, regulando además la cantidad de voltaje de salida que se entrega a la carga.
Un cicloconvertidor es un cambiador directo de frecuencias, que convierte corriente alterna con una determinada frecuencia, en corriente alterna con otra frecuencia, en una conversión ca a ca sin un enlace intermedio de conexión.
Existen tres tipos de cicloconvertidores que se clasifican dependiendo de la naturaleza de la señal de entrada y salida. Estos son:
1. Cicloconvertidor monofásico/monofásico.
2. Cicloconvertidor trifásico/monofásico.
3. Cicloconvertidor trifásico/trifásico.
Figura 39 Diagrama de bloques de un cicloconvertidor.
1.2 Principio de funcionamiento
Figura 40
Recordando los rectificadores controlados, obtuvimos que un rectificador con tiristores, de índice de pulsación p, suministraba una tensión rectificada u’d formada por p fragmentos idénticos de senoide, por cada período de la tensión de alimentación. El valor medio U’d se expresaba como : ' cos( ) U 'd = Udo ⋅ α . Si se varía el ángulo de ángulo de seguridad, la tensión U’d varía entre Udo y un valor próximo a -Udo. Sin embargo la corriente es unidireccional. Para poder conseguir una circulación bidireccional de la corriente, se dispondrán dos rectificadores en antiparalelo, tal como se muestra en la figura anterior.
Con esta configuración, para que la tensión V’ en bornes de la carga tenga el mismo valor medio, sea cual sea el rectificador que la alimenta, se deberá exigir que los dos ángulos de control α1 y α2 sean complementarios, verificando:
El valor medio de la tensión de salida suministrada por el conjunto de los dos rectificadores en antiparalelo puede resultar con una componente alterna distinta de cero, modulando de forma periódica sus ángulos de control. Así para obtener una salida v’ senoidal, de frecuencia angular w’ y de amplitud V’√2, se deben de variar los ángulos de control α1 y α2 para obtener:
Figura 41
Los controladores de voltaje de CA suministran un voltaje de salida variable, pero la frecuencia del voltaje de salida es fija.
Un Cicloconvertidor es un cambiador de frecuencia directa que convierte la potencia de CA a una frecuencia en potencia de frecuencia alterna a otra frecuencia mediante conversion´ de CA a CA.
La mayoría de estos son de conmutación natural estando la ´ salida máxima limitada a un valor que es solo una fracción de la frecuencia de la fuente. La aplicación de mayor importancia de estos son los ´ motores eléctricos de CA de baja velocidad. ´ Dos convertidores monofásicos se operan como rectificadores de fuente. Sus ángulos de retraso son tales que el voltaje de salida de ´ uno de ellos es igual y opuesto al del otro. Si el convertidor P está operando solo, el voltaje promedio de salida es positivo y si el convertidor está operando el voltaje de salida es negativo.
Figura 42 Circuito convertidor monofásico.
Figura 43 Formas de onda de un circuito convertidor monofásico con ángulo de disparo fijo.
La tensión de salida debe ser menor a la suministrada.
Figura 44 Tensión de salida de un ciclovertidor de índice de pulsación 3.
Cicloconvertidor trifásico a monofásico
El principio de operación es el mismo que el anterior solo que los convertidores + y - pueden ser del tipo rectificador de media onda o de onda completa.
Figura 45 Ciclonvertidor monofásico (A) media onda (B) 0nda completa onda completa.
Trifásico a Trifásico
Generalmente son utilizados en el control de velocidad de motores de inducción trifásicos y se hace necesario el empleo de sistemas microprogramados para el control de disparo por puerta debido a la gran cantidad de tiristores que componen el circuito. Existen cicloconvertidores de media y onda completa para generar tensión trifásica de frecuencia ajustable.
Figura 46 Ciclonvertidor trifasico de media onda.
FIgura 47 Ciclonvertidor trifásico de onda completa.
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
- Transistores de efecto de campo FET.
Los transistores de efecto de campo FET se denominan así porque durante su funcionamiento la señal de entrada crea un campo eléctrico que controla el paso de la corriente a través del dispositivo. Estos transistores también se denominan unipolares para distinguirlos de los transistores bipolares de unión y para destacar el hecho de que sólo un tipo de portadores (electrones o huecos) interviene en su funcionamiento.
Figura 48 MOSFET de vaciamiento canal tipo N.
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Los cicloconvertidores utilizan como dispositivo interruptor de potencia algún tipo de tiristor o semiconductor de potencia como SCR’s, TRIAC’s, IGBT’s, MOSFET’s, etc.
Tanto los TRIAC’s como los SCR’s son miembros de la familia de los tiristores. El término tiristor abarca todos los dispositivos semiconductores que muestran un comportamiento de ENCENDIDO-APAGADO inherente, contrario a permitir el cambio gradual en la conducción. Todos los tiristores son dispositivos de conmutación regenerativos que no pueden funcionar de una manera lineal.
Un rectificador controlado de silicio (SCR, por sus siglas en inglés; SiliconControlled Rectifier) es un dispositivo de tres terminales utilizado para controlar corrientes más bien grandes a una carga. El símbolo esquemático para un SCR se muestra en la figura 2.2, junto con las abreviaciones y los nombres de sus terminales.
Figura 49 Símbolo esquemático y nombres de las terminales de un SCR.
1.4 Aplicaciones
Algunos usos de cicloconvertidores son:1. Impulsiones de molinos del cemento2. Control de motores de inducción3. Propulsión de vehículos4. Calentamiento por alta frecuencia5. Molinos para triturar minerales6. Excavadoras de minas
Figura 50
Figura 51
Figura 52
Conclusión
En conclusión, los convertidores de energía eléctrica son componentes esenciales en la infraestructura energética moderna. Permiten la conversión eficiente de electricidad entre diferentes niveles de voltaje, frecuencias y formas de onda, lo que posibilita la transmisión, distribución y utilización efectiva de la energía eléctrica. Su constante desarrollo y mejora son cruciales para aumentar la eficiencia energética, promover la integración de fuentes de energía renovable y satisfacer las crecientes demandas de una sociedad cada vez más electrificada y consciente del medio ambiente.
Referencias Bibliográficas.
- Garcia, J. G. (Julio de 2022). ANÁLISIS Y DIMENSIONADO DE LOS CONVERTIDORES CC/CA. Obtenido de https://uvadoc.uva.es/bitstream/handle/10324/54189/TFG-I-2245.pdf;jsessionid=09E620C8986DC8FCDAADE6B03234E641?sequence=1
- Serna, R. C. (2015). Diseño de un cicloconvertidor monofásico para energizar un motor que trabaje con tres frecuencias. 115.
- Electrónica de potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones 2 edición, Muhammad H. Rashid.
- arrow. (12 de Julio de 2017). https://www.arrow.com. Obtenido de https://www.arrow.com/es-mx/research-and-events/articles/types-of-switching-dc-dc-converters
- INDUSTRIAS, G. (21 de Julio de 2021). https://industriasgsl.com. Obtenido de https://industriasgsl.com: https://industriasgsl.com/blogs/automatizacion/transistores_de_potencia#:~:text=Los%20transistores%20de%20potencia%20son,percibir%20y%20generar%20altas%20potencias.
- IndustrySurfer. (s.f.). https://industrysurfer.com. Obtenido de https://industrysurfer.com/blog-industrial/ingenieria/ingenieria-electrica-ingenieria/guia-de-aplicacion-aplicacion-de-energia/
CONVERTIDORES DE ENERGÍA
Ramón Andrés Silverio
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San Juan Bautista Tuxtepec Oaxaca, a 15 de septiembre del 2023
Introducción.
Un convertidor de potencia es un circuito eléctrico que convierte la energía eléctrica de una forma en otra, normalmente utilizando una acción de conmutación de alta frecuencia. Esta conversión puede ser de corriente continua a corriente alterna o de corriente alterna a corriente continua para aumentar o disminuir la tensión o cambiar la polaridad. Además, el convertidor actúa como enlace entre la fuente de alimentación y la salida de la fuente de alimentación. Funciona para procesar y controlar el flujo de energía eléctrica suministrando corrientes y tensiones en la forma necesaria para las cargas del usuario final. Los convertidores están disponibles en forma de simple transformador o quizá más complejos, según la aplicación. Este artículo trata de los distintos tipos de convertidores de potencia. La corriente alterna (CA) se refiere a la corriente eléctrica que invierte periódicamente su dirección. Este es el tipo de corriente que alimenta su casa o negocio. Es la toma de corriente a la que se enchufan los aparatos. Los dispositivos de los alternadores producen corrientes alternas. En cambio, la corriente continua (DC) fluye sólo en una dirección. En una corriente continua, los electrones se desplazan de una región de carga negativa a una región de carga positiva sin cambiar su dirección. La fuente de energía más frecuente para la corriente continua son las pilas, que alimentan teléfonos móviles, automóviles y linternas.
1. Convertidores CA-CC
(Rectificadores)
1.1 Definición
Un rectificador es el dispositivo electrónico que permite convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio (actualmente en desuso). Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando solo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados.
Figura 1 Rectificador CA-CC
1.2 Principio de funcionamiento
La corriente generada por el alternador trifásico no es adecuada para la batería ni tampoco para la alimentación de los consumidores del vehículo. Es necesario rectificarla. Una condición importante para la rectificación es disponer de diodos de potencia aptos para funcionar en un amplio intervalo de temperatura. El rectificador esta, formado por un puente de 6 o 9 diodos de silicio, puede ir montado directamente en la carcasa lado anillos rozantes o en un soporte (placa) en forma de "herradura", conexionados a cada una de las fases del estator, formando un puente rectificador, obteniéndose a la salida del mismo una tensión de corriente continua. Los diodos se montan en esta placa de manera que tres de ellos quedan conectados a masa por uno de sus lados y los otros tres al borne de salida de corriente del alternador, también por uno de sus lados. El lado libre de los seis queda conectado a los extremos de las fases de las bobinas del estator.
Figura 2 Diagrama del rectificador
Circuitos Rectificadores De Media Onda
Es construido con un diodo ya que este puede mantener el flujo de corriente en una sola dirección, se puede utilizar para cambiar una señal de CA a una de CC. Cuando la tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza en directo y se puede sustituir por un corto circuito. Si la tensión de entrada es negativa el diodo se polariza en inverso y se puede reemplazar por un circuito abierto. Por tanto cuando el diodo se polariza en directo, la tensión de salida a través de la carga se puede hallar por medio de la relación de un divisor de tensión. Sabemos además que el diodo requiere 0.7 voltios para polarizarse, así que la tensión de salida está reducida en esta cantidad (este voltaje depende del material de la juntura del diodo). Cuando la polarización es inversa, la corriente es cero, de manera que la tensión de salida también es cero. Este rectificador no es muy eficiente debido a que durante la mitad de cada ciclo la entrada se bloquea completamente desde la salida, perdiendo así la mitad de la tensión de alimentación.
Figura 3 Diagrama rectificador de media onda
Circuitos Rectificadores De Onda Completa
Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada en una polaridad constante (positiva o negativa) en la salida, mediante la inversión de las porciones (semiciclos) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Las porciones positivas (o negativas) se combinan con las inversas de las negativas (positivas) para producir una forma de onda parcialmente positiva (negativa).
Figura 4 Diagrama rectificador de onda completa
Rectificador De Onda Completa Mediante Dos Diodos Con Transformador De Dos Diodos
El transformador convierte la tensión alterna de entrada en otra tensión alterna del valor deseado, esta tensión es rectificada durante el primer semiciclo por el diodo D1 y durante el segundo semiciclo por el diodo D2, de forma que a la carga R le llega una tensión continua pulsante muy impura ya que no está filtrada ni estabilizada. En este circuito tomamos el valor de potencial 0 en la toma intermedia del transformador.
Figura 5 Diagrama rectificador de onda completa mediante dos diodos con transformador de dos diodos
Rectificador De Onda Completa Tipo Puente Doble De Graetz
Se trata de un rectificador de onda completa en el que, a diferencia del anterior, sólo es necesario utilizar transformador si la tensión de salida debe tener un valor distinto de la tensión de entrada. se realiza mediante filtros RC (resistencia-capacitancia) o LC (inductancia-capacitancia), obteniéndose finalmente a la salida una corriente continua con un rizado que depende del filtro y la carga, de modo que, sin carga alguna, no existe rizado. Debe notarse que este filtro no es lineal, por la existencia de los diodos que cargan rápidamente los condensadores, los cuales, a su vez, se descargan lentamente a través de la carga. La tensión de rizado (Vr) será mucho menor que V si la constante de tiempo del condensador R·C es mucho mayor que el período de la señal. Entonces consideraremos la pendiente de descarga lineal y, por tanto, Vr = Vpico·T / (R·C) Siendo R·C la cte de tiempo del condensador, T el período de la señal y Vpico la tensión de pico de la señal.
Figura 6 Diagrama Rectificador de onda completa tipo puente doble de Graetz
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Un tiristor es un dispositivo especialmente popular en Electrónica de Potencia. Es sin duda el dispositivo electrónico más robusto que permite conmutar y controlar cantidades de energía muy elevadas. Este tipo de semiconductores se compone de cuatro capas P-N-P-N y ofrece dos estados estables, uno de conducción y otro de bloqueo. Entre los diferentes tipos, el rectificador controlado de silicio (SCR) es el más utilizado. El tiristor consta habitualmente de tres electrodos: un ánodo (terminal positivo), cátodo (terminal negativo) y por último la puerta (disparo), del inglés Gate, que permite controlar la conducción entre ánodo y cátodo. También existen otras configuraciones de tiristores de dos o cuatro patas. El tiristor es adecuado para conmutar y controlar grandes cantidades de energía, como por ejemplo controlar la velocidad de motores DC.
Figura 7 Tiristor
Tipos de tiristores
Rectificador controlado de silicio (SCR): interruptor unidireccional capaz de conmutar cantidades importantes de energía, se cierra con un pulso de corriente de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero.
SCR
Tiristor GTO (Gate Turn-Off): se enciende por un solo pulso de corriente positiva en el terminal puerta (G), al igual que el SCR, pero permite el apagado con un pulso negativo en el mismo terminal de puerta.
GTO
Interruptor controlado de silicio (SCS): es un componente similar a un SCR, con la diferencia que este tiristor cuenta con un terminal de puerta adicional. Este terminal permite ejercer más control sobre el dispositivo, particularmente en el modo de conmutación forzada, donde una señal externa lo obliga a apagarse mientras que la corriente principal a través del dispositivo aún no ha caído por debajo del valor de la corriente de retención.
SCS
Tipos de tiristores
TRIAC: recibe su nombre del término inglés TRIode for Alternating Current que corresponde a tríodo para corriente alterna. Los triac son similares a los SCR, pero conducen en ambas direcciones (dispositivo bidireccional). Esto significa que puede conmutar corrientes AC y DC.
TRIAC
DIAC: Diac es una mezcla de las palabras "diodo" e "interruptor ac", es similar al diodo de cuatro capas, pero puede conducir en ambas direcciones, lo que significa que puede usar en aplicaciones de corrientes AC y DC
DIAC
Diodo de cuatro capas: este componente cuenta con un ánodo y un cátodo. Cuando se aumenta la tensión entre ambos polos y se supera la tensión de ruptura, el diodo conmuta del estado de bloqueo al estado de conducción.
Shockley
1.4 Aplicaciones
Se utilizan en las fuentes de alimentación para convertir la corriente alterna en corriente continua, un proceso llamado rectificación. También se utilizan en otros circuitos en los que debe pasar una gran corriente a través del diodo. Como parte integral de un chip de silicio, los diodos se encuentran en una amplia gama de dispositivos electrónicos. En un horno de microondas, por ejemplo, un diodo funciona junto con un capacitor para duplicar el voltaje transmitido al magnetrón de la cavidad (que genera las microondas). Los diodos de rectificación tienen muchas más aplicaciones. Otras aplicaciones típicas de los diodos rectificadores son: • Aislamiento de señales de un suministro • Referencia de voltaje • Controlar el tamaño de una señal • Mezcla de señales • Señales de detección • Sistemas de iluminación • Diodos láser
Figura 8 Aplicaciones
2. Convertidores CC-CC
(Troceadores o fuentes conmutadas)
1.1 Definición
Un convertidor de CC a CC es una clase de suministro de energía que convierte una fuente de corriente continua (CC) de un nivel de tensión a otro. Hay dos tipos de convertidores de CC/CC: lineales y conmutados. Un convertidor de CC/CC emplea una disminución de tensión resistiva para crear y regular una tensión de salida determinada, un convertidor de CC/CC conmutado convierte mediante el almacenamiento de energía de entrada periódicamente y la posterior liberación de esa energía en la salida con una tensión diferente. El almacenamiento puede ser en un componente de campo magnético como un inductor o transformador, o en un componente de campo eléctrico como un capacitor. Los convertidores basados en transformadores proporcionan aislamiento entre la entrada y la salida.
Figura 9 Convertidor CC/CC marca Orión
1.2 Principio de funcionamiento
Se requieren varios niveles de voltaje para que los circuitos electrónicos funcionen correctamente. Un convertidor CC/CC (CC/CC) es un circuito electrónico que se utiliza para convertir un nivel de tensión en otro. O proporcione una barrera de aislamiento para el bus de voltaje. CC/CC se usa típicamente en sistemas de distribución de energía para proporcionar conversión de voltaje localizada, regulación de voltaje de carga o aislamiento de bus de energía.
Figura 10 Diagrama de un convertidor CC/CC
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Transistor
Un transistor es un equipo electrónico que tiene como objetivo realizar la entrega de una señal de salida con relación a una señal de entrada. Los transistores de potencia son dispositivos semiconductores que tiene una estructura de funcionamiento igual a los transistores normales, pero con la característica de poder percibir y generar altas potencias.
Figura 11 Transistores
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Hay tres tipos de transistores de potencia que describiremos a continuación: Transistores de potencia bipolar: Es un instrumento con dos uniones (PN) que se encuentran muy unidas. Este tipo de transformador permite aumentar la corriente, disminuyendo el voltaje y puede controlar la energía por medio de sus terminales.
Figura 12 Transistores de potencia bipolar
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Esta clasificación se subdivide en transistores bipolares (NPN y PNP) y su diferenciación radica en los materiales con los cuales son construidos, así como el sentido de la corriente de polarización. Transistores de potencia unipolares: Este dispositivo está compuesto por una capa semiconductora tipo N sobre un material tipo P. Su campo eléctrico puede controlar la conducción de un canal.
Figura 13 Transistores de potencia unipolares
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Transformadores de potencia IGBT: Es compatible con velocidades y potencias altas, por lo que su utilidad para el control de la tracción en motores es habitual, así como su aplicación como fuente de energía conmutada. En el mercado hay otra clasificación vinculada al tipo de utilidad de los transformadores de potencia que describiremos a continuación: Transformadores de potencia tipo seco: Este instrumento es aplicable en situaciones de incendio, en pequeños espacios y en interiores. Su característica de refrigeración los convierte en el elemento ideal para este tipo de situaciones. Transformadores de potencia de tipo aceite: Como lo indica su nombre, el núcleo se encuentra en aceite, siendo su principal característica. Se utilizan para trasmisión de energía en mediana y alta tensión, entre otros.
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Tiristores
El tiristor (gr.: puerta) es una familia de componentes electrónicos constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Es un dispositivo análogo al tiratrón, un tipo de válvula electrónica también utilizado para controlar la corriente. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales (SCR) o bidireccionales (Triac o DIAC). Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica. Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR); Aunque en realidad la forma correcta es clasificar al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC.
Figura 14 Tiristor SCR
1.4 Aplicaciones
Los convertidores CC/CC son ampliamente utilizados en electrónica de potencia, en fuentes de alimentación continúas conmutadas (generalmente con un transformador de aislamiento) y en aplicaciones de accionamiento de motores. Los convertidores CC-CC de alto voltaje son mucho más grandes y pesados que sus homólogos de bajo voltaje debido al blindaje adicional necesario para proteger los componentes cercanos de las interferencias electromagnéticas generadas por el aumento de la corriente. Dado que los diseñadores de vehículos eléctricos buscan reducir el tamaño y el peso siempre que sea posible para ampliar la autonomía de los vehículos, recurren a convertidores de CC a CC con una mayor densidad de potencia, medida en kilovatios de potencia por unidad de volumen. Para pasar de 400 u 800 V a 12 V se necesita un convertidor de CC a CC con una potencia que oscila entre los 700 W y los 4 kW, o incluso hasta los 12 kW en el caso de un vehículo comercial.
1.4 Aplicaciones
El software que ejecuta el convertidor CC-CC es clave para garantizar que la conversión siga siendo eficiente, y el conocimiento de toda la arquitectura del vehículo informa el diseño del software y el hardware. Aunque los componentes de alto voltaje para vehículos son un territorio relativamente nuevo para la industria, Aptiv se basa en décadas de conocimiento sobre lo que los OEM necesitan para liderar las soluciones de electrificación de vehículos. Los vehículos definidos por software del futuro deben ser lo suficientemente eficientes en cuanto a espacio y energía para permitir las funciones que los OEM y los consumidores esperan, como las actualizaciones por aire, la ciberseguridad, la conducción autónoma, la seguridad avanzada y las experiencias de usuario de última generación.
Figura 15 Vehículos del futuro con softwares CC/CC
3. Convertidores CC-CA
(Inversores)
1.1 Definición
Un convertidor de potencia continua-alterna es un dispositivo que se encarga, por conmutación de un voltaje continuo de entrada en una secuencia predeterminada, de generar una tensión alterna cuya magnitud, frecuencia y fase pueden ser controladas. (Garcia, 2022) Los convertidores CC/CA, también llamados inversores, se pueden representar con el siguiente símbolo:
Figura 16 Símbolo de un inversor monofásico
Si el convertidor genera una señal de salida trifásica, debe representarse con este símbolo:
Figura 17 Símbolo de un inversor trifásico
1.2 Principio de funcionamiento
Figura 18 Etapas básicas de los convertidores CC/CA
1.2 Principio de funcionamiento
Figura 19 Estructura y forma de onda de un inversor de dos niveles
Figura 20 Estructura y forma de onda de un inversor multinivel
Figura 21 Señales de control de los transistores del inversor Push-Pull.
1.2 Principio de funcionamiento
Figura 23 Tensión de salida en un inversor monofásico controlado por variación de continua
Figura 22 Formas de onda de un inversor trifásico equilibrado
Figura 25 Tensión de salida del un inversor controlado por PWM.
Figura 24 Tensión de salida en un inversor monofásico controlado por desplazamiento de fase
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
- MOSFET de potencia (Transistores).
Los transistores MOSFET de potencia trabajan en forma similar a los dispositivos para pequeña señal. Aplicando tensión entre la puerta G y la fuente S se controla la formación y altura del canal conductor entre la fuente S y el drenador D. Al aplicar una tensión VDS adecuada se controla el flujo de carga que atraviesa el dispositivo. Difieren en sus características constructivas de los MOSFET de baja potencia.Figura 26 MOSFET de potencia
Debido a su extensa área de unión, los valores de corriente y resistencia térmica de este diodo son los mismos que el MOSFET de potencia, limitando el comportamiento en conmutación en altas frecuencias debido a su gran tiempo de recuperación inversa. Una forma de eliminar este problema para usar al dispositivo en frecuencias altas en colocar en paralelo con el diodo interno un diodo ultra-rápido que asegure que el diodo parásito no conduzca. Cuando el MOSFET se usa en conmutación la región de trabajo alterna entre las regiones de corte y saturación. En esta última región el canal se comporta como un resistor RDS(on) constante, cuyo valor es directamente proporcional a la variación vDS e iD para cada valor de vGS.
Figura 27 MOSFET de potencia
- Transistor de inducción estática (SIT)
Otro tipo de dispositivo de potencia es el transistor de inducción estática (SIT). El SIT es un dispositivo que puede manejar alta potencia y alta frecuencia. Su construcción es similar a un JFET de canal corto. Se activa y corta por una tensión aplicada a la puerta manejando tensiones de hasta 1200 V y corrientes de hasta 300 A con velocidades de conmutación de 100 kHz. Como desventaja la caída de tensión en conducción es de valor alto limitando las aplicaciones. Además es muy sensible al proceso de fabricación. El SIT es un dispositivo unipolar o de portadores mayoritarios donde el flujo de electrones de la fuente al drenador se controla por un potencial de barrera con forma de silla de montar entre las puertas metálicas, Figura 13. Dependiendo del dopado y la geometría la altura del potencial de barrera se modula entre la puerta y el drenador. Las características de salida del SIT son no saturadas parecidas a una válvula triodo de vacío, Figura 14. Se utiliza como dispositivo de microondas.Figura 28 Transistor de inducción estática (SIT)
- Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo que combina características de los MOSFET y los BJT. En su estructura física es similar al MOSFET y en su operación eléctrica al BJT. Se controla por tensión como el MOSFET. Presenta muy alta impedancia de entrada y pocas pérdidas durante la conducción. Se pueden conectar en paralelo formando módulos que manejan altas intensidades de corriente. Es más rápido que un BJT pero más lento que un MOSFET. La Figura 15 muestra el símbolo esquemático, la estructura física y el modelo equivalente simplificado.Figura 29 Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT))
- Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
El IGBT es un dispositivo controlado por tensión que se activa aplicando una tensión positiva en la puerta y se desactiva al quitar esta polarización. Cuando se polariza positiva la puerta respecto al emisor, electrones son atraídos al canal P cerca de la región de la compuerta, produciendo una polarización directa de la base del transistor NPN encendiendo al dispositivo.Figura 30 Características eléctricas del IGBT.
- Tiristores
Constituyen una amplia familia de dispositivos semiconductores biestables. Sintéticamente, se describen como conmutadores de estado sólido que actúan como dispositivos de alta impedancia hasta que son disparados. En esas condiciones se vuelven dispositivos de muy baja impedancia. Pueden permanecer en ese estado mientras que la intensidad de corriente no disminuya por debajo de un valor límite denominado corriente de mantenimiento IH. Una vez que el dispositivo conmutó al estado de conducción el circuito de disparo puede ser removido sin que el dispositivo se bloquee o apague.El tipo más común es el denominado SCR (Rectificador controlado de Silicio). Otros tipos de dispositivos de la misma familia son: GTO (Tiristor de apagado por puerta), RCT (Tiristor de conducción inversa), SITH (Tiristor de inducción estática), LASCR (Rectificador controlado activado por luz), MCT (Tiristor controlado por MOS), ETO (Tiristor apagado por emisor).Figura 31 Diferentes tipos de tiristores
1.4 Aplicaciones
- Variadores de velocidad de motores de CA
Variadores de velocidad de motores de CA: [2] Una aplicación de los convertidores CC/CA es la variación de velocidad en motores de corriente alterna. Un ejemplo de ellos sería el motor de inducción con rotor de jaula de ardilla, el cual se muestra en la siguiente figura: Si un motor de inducción trifásico está conectado a la red eléctrica, trabajará a una velocidad y par fijos, dependientes de la frecuencia y tensión de la red. Los variadores de velocidad permiten convertir esta velocidad y par fijos en magnitudes variables.Figura 33 Etapas de un variador de frecuencia
Figura 32 Despiece de un motor de inducción de Jaula de Ardilla
- Sistemas de alimentación ininterrumpida
En ciertas situaciones es imprescindible que la alimentación eléctrica de los sistemas sea interrumpible y de calidad. Esto quiere decir que no se produzcan cortes en la red, distorsiones, perturbaciones u otra serie de problemas que pudieran afectar al funcionamiento de estos sistemas.Figura 34: Estructura típica de un SAI
- Conversión de frecuencia de la red
En esta aplicación el convertidor CC/CA trabajará del mismo modo que en la de "Variadores de velocidad de motores de CA". Si disponemos de una red de corriente alterna a una frecuencia determinada, para variar ese valor de frecuencia debemos rectificar la señal a corriente continua, filtrarla y luego transformarla de nuevo a alterna gracias al inversor. Esto puede ser útil cuando queremos trabajar con un sistema que funcione a 60Hz y nuestra red sea de 50Hz.- Paneles solares
Los paneles solares captan la energía procedente del sol y producen corriente continua. Para utilizar esta energía en las instalaciones domésticas o industriales hay que transformarla a corriente alterna. Para ello utilizaremos convertidores CC/CA, los cuales se pueden conectar de varias formas a los módulos fotovoltaicos:Figura 35
Figura 36
Figura 37
- Vehículos eléctricos
Los vehículos eléctricos suelen incorporan un motor de corriente alterna de gran potencia. Para poder suministrarle esta corriente alterna, tendremos que transformar la corriente continua de las baterías utilizando un convertidor CC/CA.Figura 38 Tipos de convertidores usados en un vehículo eléctrico
4. Convertidores CA-CA
(Cicloconvertidores)
1.1 Definición
Es un dispositivo capaz de convertir corriente alterna con una frecuencia determinada a corriente alterna con una frecuencia menor a la inicial, cambiándola de manera directa sin una conversión intermedia de CA a CD, regulando además la cantidad de voltaje de salida que se entrega a la carga. Un cicloconvertidor es un cambiador directo de frecuencias, que convierte corriente alterna con una determinada frecuencia, en corriente alterna con otra frecuencia, en una conversión ca a ca sin un enlace intermedio de conexión. Existen tres tipos de cicloconvertidores que se clasifican dependiendo de la naturaleza de la señal de entrada y salida. Estos son: 1. Cicloconvertidor monofásico/monofásico. 2. Cicloconvertidor trifásico/monofásico. 3. Cicloconvertidor trifásico/trifásico.
Figura 39 Diagrama de bloques de un cicloconvertidor.
1.2 Principio de funcionamiento
Figura 40
Recordando los rectificadores controlados, obtuvimos que un rectificador con tiristores, de índice de pulsación p, suministraba una tensión rectificada u’d formada por p fragmentos idénticos de senoide, por cada período de la tensión de alimentación. El valor medio U’d se expresaba como : ' cos( ) U 'd = Udo ⋅ α . Si se varía el ángulo de ángulo de seguridad, la tensión U’d varía entre Udo y un valor próximo a -Udo. Sin embargo la corriente es unidireccional. Para poder conseguir una circulación bidireccional de la corriente, se dispondrán dos rectificadores en antiparalelo, tal como se muestra en la figura anterior. Con esta configuración, para que la tensión V’ en bornes de la carga tenga el mismo valor medio, sea cual sea el rectificador que la alimenta, se deberá exigir que los dos ángulos de control α1 y α2 sean complementarios, verificando:
El valor medio de la tensión de salida suministrada por el conjunto de los dos rectificadores en antiparalelo puede resultar con una componente alterna distinta de cero, modulando de forma periódica sus ángulos de control. Así para obtener una salida v’ senoidal, de frecuencia angular w’ y de amplitud V’√2, se deben de variar los ángulos de control α1 y α2 para obtener:
Figura 41
Los controladores de voltaje de CA suministran un voltaje de salida variable, pero la frecuencia del voltaje de salida es fija. Un Cicloconvertidor es un cambiador de frecuencia directa que convierte la potencia de CA a una frecuencia en potencia de frecuencia alterna a otra frecuencia mediante conversion´ de CA a CA. La mayoría de estos son de conmutación natural estando la ´ salida máxima limitada a un valor que es solo una fracción de la frecuencia de la fuente. La aplicación de mayor importancia de estos son los ´ motores eléctricos de CA de baja velocidad. ´ Dos convertidores monofásicos se operan como rectificadores de fuente. Sus ángulos de retraso son tales que el voltaje de salida de ´ uno de ellos es igual y opuesto al del otro. Si el convertidor P está operando solo, el voltaje promedio de salida es positivo y si el convertidor está operando el voltaje de salida es negativo.
Figura 42 Circuito convertidor monofásico.
Figura 43 Formas de onda de un circuito convertidor monofásico con ángulo de disparo fijo.
La tensión de salida debe ser menor a la suministrada.
Figura 44 Tensión de salida de un ciclovertidor de índice de pulsación 3.
Cicloconvertidor trifásico a monofásico El principio de operación es el mismo que el anterior solo que los convertidores + y - pueden ser del tipo rectificador de media onda o de onda completa.
Figura 45 Ciclonvertidor monofásico (A) media onda (B) 0nda completa onda completa.
Trifásico a Trifásico Generalmente son utilizados en el control de velocidad de motores de inducción trifásicos y se hace necesario el empleo de sistemas microprogramados para el control de disparo por puerta debido a la gran cantidad de tiristores que componen el circuito. Existen cicloconvertidores de media y onda completa para generar tensión trifásica de frecuencia ajustable.
Figura 46 Ciclonvertidor trifasico de media onda.
FIgura 47 Ciclonvertidor trifásico de onda completa.
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
- Transistores de efecto de campo FET.
Los transistores de efecto de campo FET se denominan así porque durante su funcionamiento la señal de entrada crea un campo eléctrico que controla el paso de la corriente a través del dispositivo. Estos transistores también se denominan unipolares para distinguirlos de los transistores bipolares de unión y para destacar el hecho de que sólo un tipo de portadores (electrones o huecos) interviene en su funcionamiento.Figura 48 MOSFET de vaciamiento canal tipo N.
1.3 Dispositivos De Potencia Utilizados
Los cicloconvertidores utilizan como dispositivo interruptor de potencia algún tipo de tiristor o semiconductor de potencia como SCR’s, TRIAC’s, IGBT’s, MOSFET’s, etc.
- Tiristores.
Tanto los TRIAC’s como los SCR’s son miembros de la familia de los tiristores. El término tiristor abarca todos los dispositivos semiconductores que muestran un comportamiento de ENCENDIDO-APAGADO inherente, contrario a permitir el cambio gradual en la conducción. Todos los tiristores son dispositivos de conmutación regenerativos que no pueden funcionar de una manera lineal.- SCR.
Un rectificador controlado de silicio (SCR, por sus siglas en inglés; SiliconControlled Rectifier) es un dispositivo de tres terminales utilizado para controlar corrientes más bien grandes a una carga. El símbolo esquemático para un SCR se muestra en la figura 2.2, junto con las abreviaciones y los nombres de sus terminales.Figura 49 Símbolo esquemático y nombres de las terminales de un SCR.
1.4 Aplicaciones
Algunos usos de cicloconvertidores son:1. Impulsiones de molinos del cemento2. Control de motores de inducción3. Propulsión de vehículos4. Calentamiento por alta frecuencia5. Molinos para triturar minerales6. Excavadoras de minas
Figura 50
Figura 51
Figura 52
Conclusión
En conclusión, los convertidores de energía eléctrica son componentes esenciales en la infraestructura energética moderna. Permiten la conversión eficiente de electricidad entre diferentes niveles de voltaje, frecuencias y formas de onda, lo que posibilita la transmisión, distribución y utilización efectiva de la energía eléctrica. Su constante desarrollo y mejora son cruciales para aumentar la eficiencia energética, promover la integración de fuentes de energía renovable y satisfacer las crecientes demandas de una sociedad cada vez más electrificada y consciente del medio ambiente.
Referencias Bibliográficas.