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Convertidores de energía eléctrica, Apuntes de Electrónica de Potencia

Características, tipos y funciones de los convertidores de energía eléctrica.

Tipo: Apuntes

2019/2020

Subido el 04/06/2020

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Instituto Tecnológico Superior de Macuspana
Convertidores de energía eléctrica
Un convertidor eléctrico tiene la característica de alterar la tensión y las características de la
corriente eléctrica que recibe, transformándola de tal forma que sea apta para el uso a que estés
destinada en cada situación. Muchos de ellos se utilizan en energía solar para las conexiones que
provienen de paneles fotovoltaicos. A esos convertidores se los denomina también inversores de
uso fotovoltaico.
Rectificadores (Convertidores ca/cc):
Este tipo de convertidores transforman corriente alterna, monofásica o trifásica, en continua. Desde
el punto de vista de los accionamientos, presentan una importancia fundamental, ya que se utilizan
de forma general en las máquinas. Los cuales son:
Rectificador monofásico de media onda:
El rectificador monofásico de media onda es un
circuito que convierte una señal alterna en una señal
continua. La ventaja de este circuito es lo sencillo que
es, pero no se utiliza para usos industriales. Conduce
durante el medio ciclo positivo del voltaje de entrada
Vent, el cual aparece en la carga y durante el medio
ciclo negativo el diodo está en condición de bloqueo
y el voltaje en la carga es cero.
Rectificador de onda completa con transformador con derivación central:
En el caso del Rectificador de onda completa con
transformador con derivación central cada diodo va
asociado con una mitad del transformador para operar
como si fuera un rectificador de media onda.
Rectificador puente de onda completa:
En este se suministra potencia a la carga a través de D1
y D2. En el ciclo negativo, los diodos D3 y D4 conducirán,
así trabajarán cada par de diodos como rectificadores de
media onda.
De esta forma se tiene un voltaje de corriente directa;
sin embrago, ésta es muy variante
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Convertidores de energía eléctrica

Un convertidor eléctrico tiene la característica de alterar la tensión y las características de la corriente eléctrica que recibe, transformándola de tal forma que sea apta para el uso a que estés destinada en cada situación. Muchos de ellos se utilizan en energía solar para las conexiones que provienen de paneles fotovoltaicos. A esos convertidores se los denomina también inversores de uso fotovoltaico.

➢ Rectificadores (Convertidores ca/cc):

Este tipo de convertidores transforman corriente alterna, monofásica o trifásica, en continua. Desde el punto de vista de los accionamientos, presentan una importancia fundamental, ya que se utilizan de forma general en las máquinas. Los cuales son:

  • Rectificador monofásico de media onda: El rectificador monofásico de media onda es un circuito que convierte una señal alterna en una señal continua. La ventaja de este circuito es lo sencillo que es, pero no se utiliza para usos industriales. Conduce durante el medio ciclo positivo del voltaje de entrada Vent, el cual aparece en la carga y durante el medio ciclo negativo el diodo está en condición de bloqueo y el voltaje en la carga es cero.
  • Rectificador de onda completa con transformador con derivación central: En el caso del Rectificador de onda completa con transformador con derivación central cada diodo va asociado con una mitad del transformador para operar como si fuera un rectificador de media onda.
  • Rectificador puente de onda completa: En este se suministra potencia a la carga a través de D y D2. En el ciclo negativo, los diodos D3 y D4 conducirán, así trabajarán cada par de diodos como rectificadores de media onda. De esta forma se tiene un voltaje de corriente directa; sin embrago, ésta es muy variante

El voltaje de salida promedio sin filtrado es: La corriente promedio en la carga es: El valor rms del voltaje y corriente de salida es: En la siguiente figura se puede apreciar la corriente de entrada con respecto al voltaje de entrada, cuando se tiene el capacitor de filtrado, donde se observa como la corriente tiene una forma no senoidal y se encuentra fuera de fase.

  • Elevadores: En el regulador elevador el voltaje de entrada es menor que el voltaje de salida, de igual forma que en el reductor, este circuito trabaja en dos modos, el primero es cuando se activa el transistor en t = 0, así la corriente fluye a través del inductor L y el transistor Q. En el modo 2 se desconecta el transistor y la corriente que estaba fluyendo el inductor L y el transistor Q ahora fluye por el inductor L, el capacitor C, el diodo Dn y la carga.
  • Reductores-Elevadores: El regulador reductor-elevador, donde el voltaje de salida puede ser menor o mayor que al voltaje de entrada, y de igual forma que en el Cúk la polaridad del Vsal es inversa al Vent, por esa razón se conoce como “regulador inversor”. De igual forma trabaja en dos modos, en el primero el transistor Q se activa y el diodo Dn bloquea el paso de corriente. De esa forma la corriente fluye a través del inductor L y el transistor Q. En el segundo modo se desactiva el transistor y la energía en el inductor se descarga en el capacitor C, el diodo Dn y la carga.
  • Cúk: Nombrado así en honor a su inventor, entrega un voltaje de salida menor o mayor que el voltaje de entrada, pero la polaridad del Vsal es opuesta a la polaridad del voltaje de entrada. También trabaja en dos modos, en el modo 1 se activa el transistor Q, la corriente se eleva en el inductor L1, simultáneamente, el voltaje del capacitor polariza inversamente al diodo Dn y lo desactiva, descargando su energía en C1, C2, L2 y la carga. En el modo 2 se desconecta el transistor cargándose el capacitor C1 a partir del suministro de entrada y la energía almacenada en el inductor L2 se transfiere a la carga, de esa forma el diodo Dn y el transistor Q funcionan en una conmutación síncrona.

➢ Inversores (Convertidores cc/ca):

Básicamente, realizan una conversión de corriente continua en corriente alterna, con la posibilidad de poder controlar tanto la frecuencia como el valor eficaz de la tensión o intensidad de salida, lo que les hace fundamentales para el diseño de accionamientos basados en máquinas asíncronas y síncronas. Dado que normalmente la distribución de energía se realiza en corriente alterna, suelen ir asociados a un rectificador. Se utilizan también para acoplar al sistema eléctrico la energía generada por los generadores eólicos, que se caracterizan por un motor primario de velocidad muy variable. Existen dos tipos comunes de inversores:

  • Inversor de onda senoidal pura (PSW): Los inversores de onda senoidal pura son aquellos que son capaces de reproducir una onda uniforme entre los diferentes pulsos. La ventaja que tienen este tipo de inversor frente a los inversores de onda senoidal modificada o cuadrada es que los pulsos entre las ondas son mucho más bruscos y segmentados.
  • Inversor de onda senoidal modificada (MSW): Los inversores de onda senoidal modificada, o simplemente modificada, son más sofisticados que los de onda cuadrada y por ello más caros, pero tienen un rendimiento bastante alto y su precio es inferior que los inversores de onda senoidal pura. La onda generada se acerca mucho a una senoidal pero no llega a serlo, por lo que la corriente no tendrá las mismas propiedades ni aplicaciones que la onda senoidal pura. Aun así, ofrecen la mejor relación calidad-precio en su utilización para iluminación, electrodomésticos, televisores, motores universales, como por ejemplo un taladro. Puede provocar problemas si se utiliza en motores no universales o transformadores.

Otros tipos de Cicloconversores se obtienen a partir de los rectificadores con estructura en puente. Así en la siguiente figura se muestra un cicloconversor trifásico-monofásico en puente, constituido por 12 tiristores: El valor medio del convertidor es proporcional al coseno del ángulo de retardo. El ángulo de retardo para cada tiristor es el ángulo tal que el valor instantáneo de la tensión deseada sea igual al cos(α), siendo α el ángulo de disparo. Un cicloconversor, está formado por un rectificador de tipo P y otro rectificador de tipo N conectados en paralelo con la carga. Dada su disposición en paralelo obliga a que los valores medios de ambos rectificadores sean iguales, lo cual no quiere decir que los valores instantáneos también lo sean. Esta diferencia de tensiones instantáneas provocará corrientes de circulación internas. Para evitar eliminar o conseguir reducir estas corrientes de circulación, se emplean dos modos de funcionamiento:

  • Funcionamiento sin corriente de circulación: Consiste en que todo momento haya un convertidor conduciendo y el otro bloqueado, conduciendo cada uno de ellos de forma alternativa un semiciclo de la intensidad de la carga. Por tanto, si la corriente en la carga es positiva funciona el rectificador P, mientras el rectificador N queda bloqueado, lo cual hace que no pueda circular por sus tiristores ninguna corriente. a este tipo de cicloconversor se le conoce como cicloconversor con impulsos de bloqueo.
  • Funcionamiento con corriente de circulación: En este caso los convertidores individuales conducen a la vez y entre ellos se establece una intensidad de circulación que es limitada por una bobina colocada a tal efecto. La disposición de dicha bobina se muestra en el siguiente diagrama de bloques.