APLICACIÓN DE LOS CONVERTIDORES CC-CC, CC-CA Y CA-CA J ul i o Cé sar D e D i os L ópez, pez, L ady M ar i sol L ópez ópez H ern ández nd ez,, El uci nque nq ue Rodr íguez Var gas. Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco. Facultad de Ingeniería Mecatrónica. Comalcalco, México.
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Abstract. – In In the following essay, the basic operating principles of of DCDC converters, DC-AC converters (inverters ) and AC-AC converters are analyzed. These converters generally help us convert and control various levels of voltages or currents for different purposes, or even transform one type of signal to another (CD- CA). DC-DC converters are characterized by a signal directly convert cd to another cd of different voltage level. Inverters convert a DC signal to an AC, under the principle of pulse width modulation or multilevel control. The ACAC converters , regulate and control an AC signal input for for controlled switching. Each involves a different application, but is generally attributed to applications requiring multilevel control of voltage and current, and frequency for various elements or power electronic devices, electromagnetic and electromechanical.
II. CONVERTIDOR CC-CC Los convertidores de CD, se encargan de convertir la CD a CD de forma directa, este convertidor se puede considerar como un equivalente de un transformador de corriente alterna (CA) con una relación de vueltas que varía en forma continua. Este tipo de convertidores son configuraciones de electrónica de potencia que permite a partir de una fuente de CD constante, controla el voltaje CD a la salida del convertidor. Los convertidores de CD a CD cuentan con una amplia gama de aplicaciones (Figura 2), algunas son:
I. INTRODUCCIÓN
Los controladores de voltaje son de gran importancia, estos nos permiten manipular la potencia que será entregada a la carga, dependiendo de la aplicación que se le desee dar a estos convertidores se deberá elegir el adecuado entre los convertidores de CA-CA, convertidores CD-CA y los convertidores CA-CA, estos convertidores nos permiten el control del volteje con el que estemos alimentando determinado dispositivo (carga) que requiera de un determinado control (Figura 1). Muchas veces en el ámbito industrial se requiere convertir una fuente de alimentación de corriente directa de un valor fijo a una fuente de CD pero en este caso que sea de voltaje variable, casos como estos cuando podemos utilizar los convertidores de CD-CD. Los convertidores de CD-CA también son conocidos como inversores, este tipo de convertidor nos permite cambiar o invertir el voltaje de entrada de CD a un voltaje de salida pero de CA con potencia y frecuencia que se desee trabajar. Por último tenemos los convertidores de CA-CA, conocidos también como convertidores de CA, estos nos permiten controlar la potencia de la carga, partiendo de una señal de entrada alterna y obteniendo también una señal de salida alterna pero con características características diferentes.
Su uso en la elaboración de fuentes de poder en computadoras. Sistemas de potencia de un automóvil. Control de motores de tracción de vehículos eléctricos, grúas marinas y montacargas. Frenado regenerativo de motores de CD, permitiendo gran eficiencia y una rápida respuesta dinámica. Corrección del factor de potencia de un balastro. Elevadores de edificios. Estaciones de transformación eléctrica, a partir de una fuente de suministro segura. Alimentación Alimentación de d e motores eléctricos.
Convertidores CA/CA Cicloconvertidores
Convertidores CC/CC
Rectificadores
CC
CA Inversores
Figura 2
Figura 1. Ciclo de conversión de señales eléctricas.
Las configuraciones básicas de los convertidores de CD son tres: 1.
Buck (reductora): Disminuye el voltaje de CD
2. 3.
Boost (elevadora): Permite elevar el voltaje de CD Buck-Boost(elevadora-reductora): Suministra un voltaje de salida que puede ser mayor al de la entrada, así mismo la polaridad del voltaje de salida es inversa a la del voltaje de entrada.
Los convertidores de CC se pueden clasificar en cinco tipos: a) Convertidor de primer cuadrante: La corriente fluye hacia la carga y la polaridad de la tensión es positiva. b) Convertidor de segundo cuadrante: La corriente sale de la carga, siendo la tensión positiva. En este caso la carga su ministra energía a la fuente de suministro.
Estructura de la etapa de potencia: Medio puente. Puente completo. Push-pull. Forma de gobierno de la estructura de potencia: Onda cuadrada (SQW). Modulación de ancho de pulso (PWM). Resonantes Las aplicaciones típicas de los inversores de potencia pueden ser:
Accionamientos de motores de CA de velocidad ajustable. Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Dentro del diagrama de procesos de un variador de velocidad (Figura 3) se incluye un inversor u ondulador, que controla la frecuencia en la que rotará el motor.
c) Convertidor de primero y segundo cuadrante: En este caso la corriente puede ser positiva (fluye hacia la carga) o negativa (fluye de la carga al suministro). La tensión siempre resulta positiva. d) Convertidor de tercero y cuarto cuadrante: En este caso la tensión es siempre negativa pero la corriente fluye en ambos sentidos. e) Convertidor de cuatro cuadrantes: En este caso tanto la corriente como la tensión cambian de dirección y polaridad. Este convertidor aplicado a un motor eléctrico de CC permite hacerlo girar en ambos sentidos, entregando potencia (cupla mecánica) y a su vez devolviendo parte de la energía al suministro (la carga debe ser inductiva).
III.
Figura 3. Variador de velocidad.
CONVERTIDOR CC-CA
Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI). Su función es proteger tanto de cortes de luz como de los posibles picos o altibajos de tensión (Figura 4). La función del inversor es hacer la conversión CD-CA de una fuente alternativa de CD (panel solar o baterías).
Los convertidores de CC-CA son conocidos también como inversores, su propósito general es convertir una señal de entrada de CC a una señal de salida CA con su respectivo control de frecuencia. Generalmente, este control se logra por medio de la modulación por ancho de pulso (PWM, de pulse with modulation) o por medio del control multinivel. Estos convertidores pueden o no ser regulable; de ser regulable o Figura 4. SAI. variable, se requiere variar la ganancia del inversor por me dio el PWM, claro está que esta característica va a depender de la Dispositivos de corriente alterna que funcionan a partir de una batería. aplicación. Idealmente, se dice que los inversores entregan una Hornos de inducción, etc señal sinusoidal uniforme sin variaciones ni armónicos; sin embargo, algunos o la mayoría de los convertidores CC-CA prácticos no son sinusoidales y contienen algunas armónicas. En IV. CONVERTIDOR CA-CA aplicaciones de baja potencia puede ser aceptable el hecho d e que la señal de salida no sea sinusoidal sino una onda cuadrada o casi Los convertidores de CA a CA o también conocido como cuadrada; no obstante, para aplicaciones de alta potencia sí se controladores de voltaje de CA, tienen la finalidad de poder requiere de una señal sinusoidal, para ello se hace uso de elementos controlar el flujo de potencia de corriente alterna, este control semiconductores y correspondientes métodos de conmutación para podemos realizarlo mediante una variación rms del voltaje de corriente alterna que se le aplica a la carga, sin embargo la reducir lo más posible la distorsión de la onda. frecuencia de salida que nos proporciona este tipo de convertidor no se podrá controlar debido a que será la misma que la frecuencia de Los inversores se pueden clasificar de acuerdo a: entrada. Los dispositivos utilizados normalmente en los convertidores de CA Alimentación en continua de entrada: Tensión (VSI-Voltage a CA son los tiristores, en los cuales el tipo de tiristor a utilizar source inverter). Corriente (CSI-Current source inverter). dependerá de la aplicación que se requiera, en aplicaciones de baja Tensión alterna de salida: Monofásico. Trifásico. frecuencia se pueden utilizar los TRIACs y en altas frecuencias SCRs, (Figura 5)
Figura 5. Regulador de tensión (monofásico) con TRIAC y con SCRs.
Los reguladores de corriente alterna normalmente tienen dos modos de control: Control de encendido y apagado “on -off”, de paso por cero o por secuencia. Este tipo de control se lleva a cabo conectando y desconectando la alimentación de la carga, esto sucede durante un determinado número de ciclos del voltaje de entrada. Cuando se anula el voltaje en la carga en un determinado periodo de voltaje de alimentación se genera la regulación; este tipo de control lo podemos utilizar cuando hay presencia de una gran inercia mecánico cuando la constante de la carga es mayor que el periodo de la corriente alterna. Control por ángulo de fase. El voltaje eficaz que recibe una carga puede ser controlado por medio del ángulo de disparo de los tiristores, cuando nos referimos al ángulo de disparo, o ángulo de fase nos estamos refiriendo a un instante de tiempo que se expresa en grados a partir del paso por cero del voltaje de entrada en el que el tiristor es disparado. También se debe tener en cuenta que el voltaje, la corriente y la potencia en la carga dependerán tanto del ángulo de disparo como también del tipo de carga que se esté alimentando ya que estas pueden ser resistivas o inductivas.
Existen diversas aplicaciones en las que se emplean los controladores de CA-CA, como:
Calentamiento industrial, en el control de temperatura. Control de electroimanes. Control de alumbrado como en lámpara incandescentes. Accionamiento de motores de corriente alterna. Arranque suave de motores de inducción. Cambio de las conexiones en los transformadores con carga. Compensación de energía reactiva.
V.
CONCLUSIÓN
En el trabajo anterior se expone los principios básicos de funcionamiento de cada convertidor con sus respectivas aplicaciones. Se puede concluir que cada convertidor opera de manera diferente; sin embargo, en términos más generales podemos decir que la finalidad de estos 3 tipos de convertidores son transformar o cambiar la magnitud y/o forma de una señal eléctrica de entrada. En aplicaciones de todo tipo (industrial, comercial, doméstica, etc.) se hace uso de estos convertidores puesto que permiten controlar señales eléctricas y suministrar las magnitudes adecuadas o requeridas para diversas cargas o dispositivos electrónicos, electromagnéticos y electromecánicos.
REFERENCIAS [1]- Daniel W. Hart, (2001) Electrónica de Potencia, Pearson Educación S.A., Madrid , pp. 198-360. [2]- Muhammad H. Rashid, (1995) Electrónica de Potencia, Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, Pearson Educación, 2da Edición, México, pp. 12-14.
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