ELECTRONICA DE POTENCIA 3ED RASHID CAPITULO 5
PREGUNTAS DE REPASO 5.1 ¿Qué es un interruptor periódico cd, o convertidor cd-cd? Es un circuito que convierte un voltaje fijo de una fuente de cd en un voltaje variable de suministro de cd. Un convertidor cd-cd convierte en forma directa de cd a cd. Se puede considerar que un convertidor cd es el equivalente en cd de un transformador de ca, con una relación de vueltas que varía en forma continua. Al igual que un transformador, se puede usar para subir o bajar el voltaje de una fuente. 5.2 ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un convertidor de bajada? Con la figura 5.1a se puede explicar el principio de operación. Cuando el interruptor SW, llamado interruptor periódico, se cierra durante un tiempo t1, aparece el voltaje de entrada Vs a través de la carga. Si el interruptor permanece abierto durante un tiempo t2, el voltaje a través de la carga es cero. Las formas de onda del voltaje de salida y la corriente de carga también se ven en la figura 5.1b.
5.3 ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un convertidor de subida? Un convertidor se puede usar para aumentar un voltaje de cd, y en la figura 5.6a se ve un arreglo para operación de subida. Cuando se cierra el interruptor SW durante el tiempo t1, la corriente por el
Huancayo – Perú - 2015 -
inductor L aumenta y almacena energía. Si se abre el interruptor durante el tiempo t2, la energía almacenada en el inductor se transfiere a la carga pasando por el diodo D1, y la corriente por el inductor cae. Suponiendo que el flujo de corriente es continuo, la forma de onda de la corriente en el inductor se ve en la figura 5.6b.
5.4 ¿Qué es control por modulación de ancho de pulso (PWM) de un convertidor? Operación a frecuencia constante; la frecuencia del convertidor o de conmutación, f (o el periodo de conmutación T) se mantiene constante, y se varía el tiempo t1 de encendido. El ancho del pulso se hace variar, y esta clase de control se conoce como control de modulación por ancho de pulso (PWM, de pulse-width modulation). 5.5 ¿Qué es control por modulación de frecuencia (FMC) de un convertidor? Operación a frecuencia variable; La frecuencia de conmutación o de conmutación f se hace variar. Se mantiene constante ya sea el tiempo de encendido t1 o el tiempo de apagado t2. A esto se le llama modulación por frecuencia. Se debe variar la frecuencia en un amplio margen para obtener todo el intervalo de voltajes de salida. Este tipo de control generaría armónicas a frecuencias impredecibles, y sería difícil el diseño de su filtro.
5.6 ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de un convertidor de frecuencia variable? Un convertidor de frecuencia variable genera armónicas de frecuencias variables, y se dificulta el diseño de sus filtros. Lo que se usa normalmente es un convertidor de frecuencia fija. Para reducir los tamaños de los filtros, y para bajar la corriente de rizo en la carga, la frecuencia de conmutación debe ser alta. Se puede aplicar la técnica de promediado de estado-espacio para describir las relaciones de entrada y salida de un convertidor de conmutación que tenga distintos modos de operación.
5.7 ¿Cuál es el efecto de la inductancia de carga sobre la corriente de rizo residual de la carga? El efecto de la inductancia de carga es limitar la corriente de rizo máxima por la carga 5.8 ¿Cuál es el efecto de la frecuencia de conmutación sobre la corriente de rizo residual de la carga? La corriente de rizo por la carga depende, en proporción inversa, de la frecuencia de conmutación f. La frecuencia debería ser la mayor posible para reducir la corriente de rizo en la carga, y para minimizar el tamaño de cualquier inductor adicional en serie, en el circuito de la carga. 5.9 ¿Cuáles son las restricciones para la transferencia controlable de energía entre dos fuentes de voltaje de cd? Las condiciones para la transferencia controlable de potencia son: O < Vs < E Esta ecuación indica que el voltaje de suministro Vs debe ser menor que el voltaje E, para permitir la transferencia de potencia de una fuente fija (o variable) a un voltaje fijo de cd. En el frenado eléctrico de los motores de cd, cuando éstos funcionan como generadores de cd, el voltaje entre terminales baja a medida que la velocidad de la máquina baja. El convertidor permite la transferencia de potencia a una fuente fija de cd o a un reóstato. Cuando el convertidor se cierra, la energía pasa de la fuente Vs al inductor L. Si entonces el convertidor se apaga, pasa una cantidad de la energía almacenada en el inductor, hacia la batería E.
5.10 ¿Cuál es el algoritmo para generar el ciclo de trabajo de un convertidor? El algoritmo para generar la señal de disparo para la compuerta es el siguiente: 1. Generar una forma de onda triangular de periodo T como señal de referencia Vr y una señal portadora Vcr. 2. Comparar estas señales con un comparador para generar la diferencia Vr - Vcr Y entonces un limitador preciso para obtener un pulso de onda cuadrada para la compuerta, de ancho kT, que se debe aplicar al dispositivo de conmutación a través de un circuito aislador. 3. Toda variación en Ver es lineal respecto al ciclo de trabajo k. 5.11 ¿Cuál es el índice de modulación para un control de PWM? Ciclo de trabajo k
En la que M se llama índice de modulación. Al variar la señal de la portadora Ver desde O hasta Ven se puede variar el ciclo de trabajo desde O hasta 1. 5.12 ¿Qué es cuadrantes?
un
convertidor
de
primero
y
segundo
La corriente en la carga puede ser positiva o negativa, como se ve en la figura 5.10c. El voltaje de carga siempre es positivo. A esto se le llama convertidor de dos cuadrantes. Los convertidores de primero y segundo cuadrantes se pueden combinar para formarlo, como se ve en la figura 5.12. S1 Y D4 trabajan como convertidor de primer cuadrante. S2 y D4D1 funcionan como convertidor de segundo cuadrante. Se debe tener cuidado en asegurar que los dos interruptores no se disparen al mismo tiempo, porque si no, el suministro Vs se pone en cortocircuito. Esta clase de convertidor puede funcionar como rectificador o como inversor. 5.13 ¿Qué es un convertidor de tercero y cuarto cuadrantes? El circuito se ve en la figura 5.13. El voltaje en la carga siempre es negativo. La corriente en la carga puede ser positiva o negativa, como se ve en la figura 5.10d. S3 y D2 funcionan produciendo voltaje y
corriente negativos en la carga. Cuando se cierra S3, pasa una corriente negativa por la carga. Cuando se abre S3, la corriente de carga pasa libremente por el diodo D2. S2 y D3 funcionan produciendo un voltaje negativo y una corriente positiva en la carga. Cuando se cierra S2, pasa una corriente positiva por la carga. Cuando se abre S2, la corriente pasa libremente por el diodo D3' Es importante notar que se debe invertir la polaridad de E para que este circuito produzca un voltaje negativo y una corriente positiva. Es un convertidor negativo de dos cuadrantes, que también puede funcionar como rectificador o como inversor.
5.14 ¿Qué es un convertidor de cuatro cuadrantes? La corriente de carga es positiva o negativa, como se ve en la figura 5.10e. El voltaje en la carga también es positivo o negativo. Se pueden combinar un convertidor de primero y segundo cuadrantes, y uno de tercero y cuarto cuadrantes, para formar el convertidor de cuatro cuadrantes que se ve en la figura 5.14a.
5.15 ¿Cuáles son los parámetros de funcionamiento de un convertidor? Los parámetros de funcionamiento de los convertidores de subida y de bajada son los siguientes:
Corriente de rizo del inductor, ΔIL, Frecuencia máxima de conmutación, fmáx, Condición para corriente continua o discontinua por el inductor, Valor mínimo del inductor para mantener una corriente continua en él, Contenido de rizo del voltaje y la corriente de salida, THD, Contenido de rizo de la corriente de entrada, THD.
5.16 ¿Qué es un regulador de modo de conmutación? Los convertidores de cd se pueden usar como reguladores de modo de conmutación, para convertir un voltaje de cd, normalmente no regulado, en un voltaje de salida regulado de cd. La regulación se suele obtener con PWM (modulación de ancho de pulso) a determinada frecuencia, y el dispositivo de conmutación es, en el caso normal, un BJT, MOSFET o IGBT. 5.17 ¿Cuáles son los cuatro tipos básicos de regulador de modo de conmutación?
Reguladores Reguladores Reguladores Reguladores
reductores elevadores reductores y elevadores de Cúk
5.18 ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de un regulador reductor? El regulador reductor sólo requiere un transistor, es sencillo y tiene una eficiencia alta, mayor que 90%. La tasa di/dt de la corriente de carga se limita con el inductor L. Sin embargo, la corriente de entrada es discontinua, y en el caso normal se requiere un filtro de alisamiento en la entrada. Proporciona voltaje de salida de una polaridad, y corriente unidireccional de salida. Requiere un circuito de protección para el caso de un posible cortocircuito a través de la trayectoria del diodo. 5.19 ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de un regulador elevador?
Un regulador elevador puede subir el voltaje de salida sin un transformador. Como tiene sólo un transistor, tiene alta eficiencia. La corriente de entrada es continua. Sin embargo, por el transistor de potencia debe pasar un gran pico de corriente. El voltaje de salida es muy sensible a los cambios de ciclo de trabajo k y podría ser difícil estabilizar el regulador. La corriente promedio de salida es menor que la corriente promedio por el inductor, en un factor (1 - k) y pasaría una corriente rms mucho mayor por el capacitor del filtro, con lo que se requiere usar un capacitor y un inductor de filtro mayores que los de un regulador reductor. 5.20 ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de un regulador reductor y elevador? Un regulador reductor y elevador proporciona inversión de voltaje de salida sin un transformador. Tiene una eficiencia alta. Cuando hay una falla del transistor, la tasa di/dt de la corriente de falla queda limitada por el inductor L, y será Vs/L. Sería fácil implementar la protección contra cortocircuito. Sin embargo, la corriente de entrada es discontinua, y por el transistor Q1 pasa un gran pico de corriente.
