INGENIERÍA ELECTRICA

Control predictivo de convertidores de potencia de conmutación . Los controladores predictivos se basan en la teoría de sistemas de control óptimos y su objetivo es resolver un problema de minimización funcional de costos. ^[1] [2] Los controladores predictivos son relativamente fáciles de implementar numéricamente, pero los convertidores electrónicos de potencia son sistemas dinámicos no lineales que varían en el tiempo, por lo que se debe adoptar un enfoque diferente para la predicción.

Principios del control predictivo no lineal óptimo [ editar ]

El primer paso para diseñar un controlador predictivo es derivar un modelo dinámico directo detallado (incluidas las no linealidades) del convertidor de potencia de conmutación. Este modelo debe contener suficientes detalles de la dinámica del convertidor para permitir, desde las condiciones iniciales, un pronóstico en tiempo real y con un error insignificante, del comportamiento futuro del convertidor.

El control de modo deslizante de los convertidores de potencia de conmutación elige un vector para alcanzar el modo deslizante lo más rápido posible (alta frecuencia de conmutación).

Sería mejor elegir un vector para garantizar un error cero al final del período de muestreo Δt.

Para encontrar dicho vector, se puede hacer un cálculo previo (predicción);

El convertidor tiene un número finito de vectores (estados) y generalmente no es lineal: una forma es probar todos los vectores para encontrar el que minimice los errores de control, antes de la aplicación de ese vector al convertidor.

Control predictivo basado en el modelo de dinámica directa (DDMBPC) [ editar ]

Control predictivo de dinámica directa de convertidores de potencia de conmutación

Retroceso Horizon Optimum Control predictivo

El algoritmo [ editar ]

1. Obtenga un modelo dinámico del convertidor. Ejemplo:
2. Definir un costo cuadrático funcional Jj (Δt, Usαβj) y sus pesos ρiα, ρiβ, ρuPWM
3. Muestra de variables de control y perturbaciones seleccionadas en el tiempo de muestreo ts
4. Utilice una ecuación de predicción, a partir de la dinámica directa, para predecir el valor de las variables de control en el siguiente tiempo de muestreo (ts + Δt) para todos los vectores convertidores Usαβj
5. Para cada vector, calcule la función de costo Jj (Δt, Usαβj) y determine su mínimo:
6. Aplique el nuevo vector, avance al siguiente tiempo de muestreo (vuelva al paso 3).

Control predictivo óptimo de dinámica inversa (IDOPC) [ editar ]

Control predictivo de dinámica inversa de convertidores de potencia de conmutación

Algoritmo predictivo óptimo rápido [ editar ]

1. Obtenga un modelo dinámico del convertidor
2. Muestra de variables de control y perturbaciones seleccionadas en el intervalo de muestreo Δt
3. El objetivo de control debe alcanzarse en el tiempo de muestreo t + Δt, luego + Δt = iref. Utilice el método de Euler-backward para obtener:
4. Utilice una ecuación de predicción de DINÁMICA INVERSA para predecir el valor del VECTOR DE CONTROL ÓPTIMO Usαβ t + Δt en el siguiente tiempo de muestreo (t + Δt)
5. Calcule y minimice una función de costo que evalúa la "distancia" entre el VECTOR ÓPTIMO Usαβ t + Δt y todos los vectores convertidores disponibles Usαβj
6. Aplique el nuevo vector, avance al siguiente tiempo de muestreo (vuelva al paso 3).

Un rectificador es un dispositivo eléctrico que convierte la corriente alterna (CA), que periódicamente invierte la dirección, en corriente continua (CC), que fluye en una sola dirección.

El proceso se conoce como rectificación , ya que "endereza" la dirección de la corriente. Físicamente, los rectificadores adoptan varias formas, incluidos diodos de tubos de vacío , válvulas de arco de mercurio , pilas de placas de cobre y óxido de selenio, diodos semiconductores , rectificadores controlados por silicio y otros interruptores semiconductores a base de silicio. Históricamente, incluso se han utilizado interruptores electromecánicos y motores síncronos. Los primeros receptores de radio, llamados radios de cristal , usaban un " bigote de gato " de alambre fino que presionaba un cristal de galena (sulfuro de plomo) para servir como un rectificador de contacto de punto o "detector de cristal".

Los rectificadores tienen muchos usos, pero a menudo se encuentran como componentes de fuentes de alimentación de CC y sistemas de transmisión de corriente continua de alto voltaje . La rectificación puede servir en otros roles además de generar corriente continua para su uso como fuente de poder. Como se señaló, los detectores de señales de radio sirven como rectificadores. En los sistemas de calefacción de gas, la rectificación de llama se utiliza para detectar la presencia de una llama.

Dependiendo del tipo de suministro de corriente alterna y la disposición del circuito rectificador, el voltaje de salida puede requerir suavizado adicional para producir un voltaje constante uniforme. Muchas aplicaciones de rectificadores, como las fuentes de alimentación para equipos de radio, televisión y computadora, requieren un voltaje de CC constante y constante (como lo produciría una batería ). En estas aplicaciones, la salida del rectificador se suaviza mediante un filtro electrónico , que puede ser un condensador , estrangulador o un conjunto de condensadores, estranguladores y resistencias , posiblemente seguido de un regulador de voltaje para producir un voltaje constante.

Un circuito más complejo que realiza la función opuesta, que es convertir CC a CA, se llama inversor .

Dispositivos rectificadores [ editar ]

Antes del desarrollo de los rectificadores semiconductores de silicio, se utilizaron diodos termiónicos de tubos de vacío y pilas de rectificadores metálicos a base de óxido de cobre o selenio . ^[1] Con la introducción de la electrónica de semiconductores, los rectificadores de tubos de vacío se volvieron obsoletos, a excepción de algunos entusiastas de los equipos de audio de tubos de vacío . Para la rectificación de potencia de muy baja a muy alta corriente, se utilizan ampliamente diodos semiconductores de varios tipos ( diodos de unión , diodos Schottky , etc.).

Otros dispositivos que tienen electrodos de control y actúan como válvulas de corriente unidireccionales se usan donde se requiere más que una simple rectificación, por ejemplo, donde se necesita un voltaje de salida variable. Los rectificadores de alta potencia, como los utilizados en la transmisión de potencia de corriente continua de alto voltaje , emplean dispositivos semiconductores de silicio de varios tipos. Estos son tiristores u otros interruptores de estado sólido de conmutación controlada, que funcionan efectivamente como diodos para pasar corriente en una sola dirección.

Circuitos rectificadores [ editar ]

Los circuitos rectificadores pueden ser monofásicos o multifásicos. La mayoría de los rectificadores de baja potencia para equipos domésticos son monofásicos, pero la rectificación trifásica es muy importante para aplicaciones industriales y para la transmisión de energía como CC (HVDC).

Rectificadores monofásicos [ editar ]

Rectificación de media onda [ editar ]

En la rectificación de media onda de un suministro monofásico, se pasa la mitad positiva o negativa de la onda de CA, mientras que la otra mitad se bloquea. Matemáticamente, es una función escalonada (para pase positivo, bloqueo negativo): pasar positivo corresponde a que la función de rampa es la identidad en las entradas positivas, el bloqueo negativo corresponde a ser cero en las entradas negativas. Debido a que solo la mitad de la forma de onda de entrada llega a la salida, el voltaje medio es más bajo. La rectificación de media onda requiere un solo diodo en un suministro monofásico , o tres en un suministro trifásico . Los rectificadores producen una corriente continua unidireccional pero pulsante; Los rectificadores de media onda producen mucha más ondulaciónque los rectificadores de onda completa, y se necesita mucho más filtrado para eliminar los armónicos de la frecuencia de CA de la salida.

Rectificador de media onda

El voltaje de CC de salida sin carga de un rectificador de media onda ideal para un voltaje de entrada sinusoidal es: ^[2]

{\ displaystyle {\ begin {alineado} V _ {\ mathrm {rms}} & = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} {2}} \\ [8pt] V _ {\ mathrm {dc}} & = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ end {alineado}}}

dónde:

V _dc , V _av - el voltaje de salida DC o promedio,

V _pico , el valor pico de los voltajes de entrada de fase,

V _rms , el _valor medio cuadrático (RMS) de la tensión de salida.

Rectificación de onda completa [ editar ]

Rectificador de onda completa, con tubo de vacío con dos ánodos.

Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada a una de polaridad constante (positiva o negativa) en su salida. Matemáticamente, esto corresponde a la función de valor absoluto . La rectificación de onda completa convierte ambas polaridades de la forma de onda de entrada en CC pulsante (corriente continua) y produce un voltaje de salida promedio más alto. Se necesitan dos diodos y un transformador de derivación central , o cuatro diodos en una configuración de puente y cualquier fuente de CA (incluido un transformador sin derivación central). ^[3] Los diodos semiconductores simples, los diodos dobles con cátodo común o ánodo común, y los puentes de cuatro diodos, se fabrican como componentes individuales.

Puente rectificador Graetz: un rectificador de onda completa que utiliza cuatro diodos.

Para CA monofásica, si el transformador tiene derivación central, entonces dos diodos consecutivos (cátodo a cátodo o ánodo a ánodo, dependiendo de la polaridad de salida requerida) pueden formar un rectificador de onda completa. Se requieren el doble de vueltas en el secundario del transformador para obtener el mismo voltaje de salida que para un rectificador de puente, pero la potencia nominal no cambia.

Rectificador de onda completa utilizando un transformador de derivación central y 2 diodos.

Los voltajes de salida promedio y RMS sin carga de un rectificador de onda completa monofásico ideal son:

{\ displaystyle {\ begin {alineado} V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} & = {\ frac {2 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ \ [8pt] V _ {\ mathrm {rms}} & = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} {\ sqrt {2}}} \ end {alineado}}}

Los tubos de vacío rectificadores de doble diodo muy comunes contenían un único cátodo común y dos ánodos dentro de una sola envolvente, logrando la rectificación de onda completa con salida positiva. El 5U4 y el 80 / 5Y3 (4 pines) / (octal) fueron ejemplos populares de esta configuración.

Rectificadores trifásicos [ editar ]

Los rectificadores monofásicos se utilizan comúnmente para fuentes de alimentación para equipos domésticos. Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones industriales y de alta potencia, los circuitos rectificadores trifásicos son la norma. Al igual que con los rectificadores monofásicos, los rectificadores trifásicos pueden tomar la forma de un circuito de media onda, un circuito de onda completa utilizando un transformador de derivación central o un circuito de puente de onda completa.

Los tiristores se usan comúnmente en lugar de diodos para crear un circuito que pueda regular el voltaje de salida. Muchos dispositivos que proporcionan corriente continua en realidad generan CA trifásica. Por ejemplo, un alternador de automóvil contiene seis diodos, que funcionan como un rectificador de onda completa para cargar la batería.

Circuito trifásico de media onda [ editar ]

Circuito rectificador de media onda trifásico controlado que utiliza tiristores como elementos de conmutación, ignorando la inductancia de suministro

Un circuito de punto medio de media onda trifásico no controlado requiere tres diodos, uno conectado a cada fase. Este es el tipo más simple de rectificador trifásico, pero sufre una distorsión armónica relativamente alta en las conexiones de CA y CC. Se dice que este tipo de rectificador tiene un número de pulsos de tres, ya que el voltaje de salida en el lado de CC contiene tres pulsos distintos por ciclo de la frecuencia de la red:

Los valores máximos $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}} de este voltaje de CC de tres pulsos se calculan a partir del valor RMS $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}} del voltaje de fase de entrada (voltaje de línea a neutro, 120 V en Norteamérica, 230 V dentro de Europa en funcionamiento de red): $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}} = {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}}. El voltaje de salida promedio sin carga$${\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}}}resulta de la integral bajo el gráfico de una media onda positiva con la duración del período de$${\ displaystyle {\ frac {2} {3}} \ pi} (de 30 ° a 150 °):

$${\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {1} {{\ frac {2} {3}} \ pi}} \ int _ {30 ^ {\ circ}} ^ {150 ^ {\ circ}} V _ {\ mathrm {peak}} \ cdot \ sin \ varphi \ cdot \ mathrm {d} \ varphi = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {peak} }} {2 \ pi}} \ cdot \ left (- \ cos 150 ^ {\ circ} + \ cos 30 ^ {\ circ} \ right) = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}} } {2 \ pi}} \ cdot {\ Biggl [} - \ left (- {\ frac {\ sqrt {3}} {2}} \ right) + {\ frac {\ sqrt {3}} {2} } {\ Biggl]} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}}}

⇒ $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {2 \ pi}}} ⇒ $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {6}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {2 \ pi}}} ≈ 1,17 ⋅ $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}

Circuito trifásico de onda completa con transformador de derivación central [ editar ]

Circuito rectificador trifásico de onda completa controlado que utiliza tiristores como elementos de conmutación, con un transformador de derivación central, ignorando la inductancia de suministro

Si la alimentación de CA se alimenta a través de un transformador con una derivación central, se puede obtener un circuito rectificador con un rendimiento armónico mejorado. Este rectificador ahora requiere seis diodos, uno conectado a cada extremo de cada devanado secundario del transformador. Este circuito tiene un número de impulsos de seis y, en efecto, puede considerarse como un circuito de media onda de seis fases.

Antes de que los dispositivos de estado sólido estuvieran disponibles, el circuito de media onda y el circuito de onda completa que usa un transformador de derivación central se usaban muy comúnmente en rectificadores industriales que usan válvulas de arco de mercurio . ^[4] Esto se debía a que las tres o seis entradas de suministro de CA podían alimentarse a un número correspondiente de electrodos de ánodo en un solo tanque, compartiendo un cátodo común.

Con la llegada de los diodos y tiristores, estos circuitos se han vuelto menos populares y el circuito puente trifásico se ha convertido en el circuito más común.

Puente rectificador trifásico no controlado [ editar ]

Desensamblado automóvil alternador , que muestra las seis diodos que comprenden una onda completa rectificador de puente de tres fases.

Para un puente rectificador trifásico no controlado, se utilizan seis diodos, y el circuito nuevamente tiene un número de pulsos de seis. Por esta razón, también se conoce comúnmente como un puente de seis pulsos. El circuito B6 puede verse simplificado como una conexión en serie de dos circuitos centrales de tres pulsos.

Para aplicaciones de baja potencia, los diodos dobles en serie, con el ánodo del primer diodo conectado al cátodo del segundo, se fabrican como un solo componente para este propósito. Algunos diodos dobles disponibles comercialmente tienen los cuatro terminales disponibles para que el usuario pueda configurarlos para uso de suministro dividido monofásico, medio puente o rectificador trifásico.

Para aplicaciones de mayor potencia, generalmente se usa un único dispositivo discreto para cada uno de los seis brazos del puente. Para las potencias más altas, cada brazo del puente puede consistir en decenas o cientos de dispositivos separados en paralelo (donde se necesita una corriente muy alta, por ejemplo en la fundición de aluminio ) o en serie (donde se necesitan voltajes muy altos, por ejemplo en transmisión de corriente continua de alto voltaje ).

Circuito rectificador de puente de onda completa trifásico controlado (B6C) utilizando tiristores como elementos de conmutación, ignorando la inductancia de suministro. Los tiristores pulsan en el orden V1 – V6.

El voltaje de CC pulsante resulta de las diferencias de los voltajes de fase positivos y negativos instantáneos. $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}, desfasado en 30 °:

El voltaje de salida promedio ideal sin carga $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}}} del circuito B6 resulta de la integral bajo el gráfico de un pulso de voltaje de CC con la duración del período de $${\ displaystyle {\ frac {1} {3}} \ pi} (de 60 ° a 120 °) con el valor pico $${\ displaystyle {\ hat {v}} _ {\ mathrm {DC}} = {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}}:

$${\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {1} {{\ frac {1} {3}} \ pi}} \ int _ {60 ^ {\ circ}} ^ {120 ^ {\ circ}} {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}} \ cdot \ sin \ varphi \ cdot \ mathrm {d} \ varphi = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ cdot \ left (- \ cos 120 ^ {\ circ} + \ cos 60 ^ {\ circ} \ right ) = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ cdot {\ Biggl [} - \ left (- {\ frac {1} {2}} \ right) + {\ frac {1} {2}} {\ Biggl]} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} { \Pi }}}

⇒ $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {\ pi}}} ⇒ $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {6}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {\ pi}}} ≈ 2,34 ⋅ $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}

Entrada de CA trifásica, formas de onda de salida de CC rectificadas de media onda y onda completa

Si el puente rectificador trifásico se opera simétricamente (como tensión de alimentación positiva y negativa), el punto central del rectificador en el lado de salida (o el denominado potencial de referencia aislado) opuesto al punto central del transformador (o el neutro conductor) tiene una diferencia de potencial en forma de voltaje triangular de modo común . Por esta razón, estos dos centros nunca deben conectarse entre sí, de lo contrario fluirían corrientes de cortocircuito. La tierra del puente rectificador trifásico en operación simétrica se desacopla del conductor neutro o de la tierra.de la tensión de red. Alimentado por un transformador, es posible la conexión a tierra del punto central del puente, siempre que el devanado secundario del transformador esté aislado eléctricamente de la tensión de red y el punto de estrella del devanado secundario no esté en la tierra. Sin embargo, en este caso, corrientes de fuga (insignificantes) fluyen sobre los devanados del transformador.

El voltaje de modo común se forma a partir de los valores promedio respectivos de las diferencias entre los voltajes de fase positivo y negativo, que forman el voltaje de CC pulsante. El valor pico de la tensión delta$${\ displaystyle {\ hat {v}} _ {\ mathrm {modo común}}} Cantidades ¼ del valor pico del voltaje de entrada de fase $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}} y se calcula con $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}} menos la mitad del voltaje de CC a 60 ° del período:

$${\ displaystyle {\ hat {v}} _ {\ mathrm {common-mode}} = V _ {\ mathrm {peak}} - {\ frac {{\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak} } \ cdot \ sin 60 ^ {\ circ}} {2}} = V _ {\ mathrm {peak}} \ cdot {\ Biggl (} 1 - {\ frac {{\ sqrt {3}} \ cdot \ sin 60 ^ {\ circ}} {2}} {\ Biggl)}} = $${\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}} · 0,25

El valor RMS de la tensión de modo común se calcula a partir del factor de forma para oscilaciones triangulares:

$${\ displaystyle V _ {\ mathrm {common-mode}} = {\ frac {{\ hat {v}} _ {\ mathrm {common-mode}}} {\ sqrt {3}}}}

Si el circuito se opera de manera asimétrica (como un voltaje de suministro simple con un solo polo positivo), los polos positivo y negativo (o el potencial de referencia aislado) están pulsando opuesto al centro (o tierra) del voltaje de entrada de forma análoga al positivo. y formas de onda negativas de los voltajes de fase. Sin embargo, las diferencias en los voltajes de fase dan como resultado un voltaje de CC de seis pulsos (durante la duración de un período). La separación estricta del centro del transformador del polo negativo (de lo contrario, fluirán corrientes de cortocircuito) o una posible conexión a tierra del polo negativo cuando se alimenta con un transformador de aislamiento se aplica correspondientemente a la operación simétrica.

Puente rectificador trifásico controlado [ editar ]

El puente rectificador trifásico controlado utiliza tiristores en lugar de diodos. La tensión de salida se reduce por el factor cos (α):

$${\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi} } \ cdot \ cos \ alpha}

O, expresado en términos del voltaje de entrada de línea a línea: ^[5]

$${\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos \ alpha}

Dónde:

V _LLpeak , el valor pico de los voltajes de entrada de línea a línea,

V _pico , el valor pico de los voltajes de entrada de fase (línea a neutro),

α, ángulo de disparo del tiristor (0 si se utilizan diodos para realizar la rectificación)

Las ecuaciones anteriores solo son válidas cuando no se extrae corriente del suministro de CA o en el caso teórico cuando las conexiones de suministro de CA no tienen inductancia. En la práctica, la inductancia de alimentación causa una reducción del voltaje de salida de CC con una carga creciente, típicamente en el rango de 10-20% a plena carga.

El efecto de la inductancia de suministro es ralentizar el proceso de transferencia (llamado conmutación) de una fase a la siguiente. Como resultado de esto, en cada transición entre un par de dispositivos, hay un período de superposición durante el cual tres (en lugar de dos) dispositivos en el puente se conducen simultáneamente. El ángulo de superposición generalmente se conoce con el símbolo μ (u), y puede ser 20 30 ° a plena carga.

Teniendo en cuenta la inductancia de alimentación, la tensión de salida del rectificador se reduce a:

$${\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos (\ alpha + \ mu)}

El ángulo de superposición μ está directamente relacionado con la corriente continua, y la ecuación anterior se puede volver a expresar como:

$${\ displaystyle {V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos (\ alpha )} - {6fL _ {\ mathrm {c}} I _ {\ mathrm {d}}}}

Dónde:

L _c , la inductancia conmutativa por fase

I _d , la corriente continua

Puente rectificador trifásico Graetz en alfa = 0 ° sin superposición

Puente rectificador trifásico Graetz en alfa = 0 ° con ángulo de solapamiento de 20 °

Puente rectificador trifásico controlado Graetz en alfa = 20 ° con ángulo de solapamiento de 20 °

Puente rectificador trifásico controlado Graetz en alfa = 40 ° con ángulo de solapamiento de 20 °

Puente de doce pulsos [ editar ]

Doce rectificadores de puente de pulso utilizando tiristores como elementos de conmutación. Un puente de seis pulsos consiste en tiristores pares, el otro es el conjunto impar.

Aunque es mejor que los rectificadores monofásicos o los rectificadores trifásicos de media onda, los circuitos rectificadores de seis pulsos aún producen una distorsión armónica considerable en las conexiones de CA y CC. Para rectificadores de muy alta potencia, generalmente se usa la conexión de puente de doce pulsos. Un puente de doce pulsos consta de dos circuitos de puente de seis pulsos conectados en serie, con sus conexiones de CA alimentadas por un transformador de suministro que produce un cambio de fase de 30 ° entre los dos puentes. Esto cancela muchos de los armónicos característicos que producen los puentes de seis pulsos.

El cambio de fase de 30 grados generalmente se logra mediante el uso de un transformador con dos conjuntos de devanados secundarios, uno en conexión en estrella (wye) y otro en conexión delta.

Rectificadores multiplicadores de voltaje [ editar ]

Artículo principal: multiplicador de voltaje

Ver también: duplicador de voltaje

Puente completo conmutable / duplicador de voltaje.

El simple rectificador de media onda se puede construir en dos configuraciones eléctricas con los diodos apuntando en direcciones opuestas, una versión conecta el terminal negativo de la salida directamente al suministro de CA y el otro conecta el terminal positivo de la salida directamente al suministro de CA . Al combinar ambos con un suavizado de salida separado, es posible obtener un voltaje de salida de casi el doble del voltaje de entrada de CA pico. Esto también proporciona un grifo en el medio, que permite el uso de dicho circuito como fuente de alimentación de riel dividido.

Una variante de esto es usar dos condensadores en serie para el suavizado de salida en un rectificador de puente y luego colocar un interruptor entre el punto medio de esos condensadores y uno de los terminales de entrada de CA. Con el interruptor abierto, este circuito actúa como un puente rectificador normal. Con el interruptor cerrado, actúa como un rectificador de duplicación de voltaje. En otras palabras, esto facilita la derivación de un voltaje de aproximadamente 320 V (± 15%, aprox.) CC de cualquier fuente de alimentación de 120 V o 230 V en el mundo, esto se puede alimentar a un modo conmutado relativamente simple fuente de alimentación. Sin embargo, para una ondulación deseada dada, el valor de ambos condensadores debe ser el doble del valor requerido para un rectificador de puente normal; Cuando el interruptor está cerrado, cada uno debe filtrar la salida de un rectificador de media onda, y cuando el interruptor está abierto, los dos condensadores están conectados en serie con un valor equivalente de la mitad de ellos.

Multiplicador de voltaje Cockcroft Walton

Se pueden agregar etapas de diodo y condensador en cascada para hacer un multiplicador de voltaje ( circuito Cockroft-Walton ). Estos circuitos son capaces de producir un potencial de voltaje de salida de CC de hasta aproximadamente diez veces el voltaje de entrada de CA máximo, en la práctica limitado por problemas de regulación de voltaje y capacidad de corriente. Los multiplicadores de voltaje de diodo, utilizados con frecuencia como una etapa de refuerzo posterior o fuente primaria de alto voltaje (HV), se usan en fuentes de alimentación láser de HV, dispositivos de alimentación como tubos de rayos catódicos (CRT) (como los que se usan en televisores, radares y sondas basados ​​en CRT) pantallas), dispositivos de amplificación de fotones encontrados en tubos intensificadores de imagen y fotomultiplicadores (PMT), y dispositivos de radiofrecuencia (RF) basados ​​en magnetrón utilizados en transmisores de radar y hornos de microondas. Antes de la introducción de la electrónica de semiconductores,Los receptores de tubos de vacío sin transformador alimentados directamente por alimentación de CA a veces usaban duplicadores de voltaje para generar aproximadamente 300 VCC a partir de una línea de alimentación de 100–120 V.

Cuantificación de rectificadores [ editar ]

A esta sección le falta información sobre las relaciones de conversión para al menos la rectificación trifásica de media onda y onda completa, ya que estos rectificadores tienen sus propias secciones en este artículo. . Expanda la sección para incluir esta información. Pueden existir más detalles en la página de discusión . ( Octubre 2017 )

Se utilizan varias relaciones para cuantificar la función y el rendimiento de los rectificadores o su salida, incluido el factor de utilización del transformador (TUF), la relación de conversión ( η ), el factor de ondulación, el factor de forma y el factor de pico. Las dos medidas principales son el voltaje de CC (o compensación) y el voltaje de cresta pico a pico, que son componentes constituyentes del voltaje de salida.

Relación de conversión [ editar ]

Relación de conversión (también llamada "relación de rectificación" y confusamente, "eficiencia") ηse define como la relación entre la potencia de salida de CC y la potencia de entrada del suministro de CA. Incluso con los rectificadores ideales, la relación es inferior al 100% porque parte de la potencia de salida es de CA en lugar de CC, que se manifiesta como ondulación superpuesta en la forma de onda de CC. La relación se puede mejorar con el uso de circuitos de suavizado que reducen la ondulación y, por lo tanto, reducen el contenido de CA de la salida. La relación de conversión se reduce por las pérdidas en los devanados del transformador y la disipación de potencia en el propio elemento rectificador. Esta relación tiene poca importancia práctica porque un rectificador casi siempre es seguido por un filtro para aumentar el voltaje de CC y reducir la ondulación. En algunas aplicaciones trifásicas y multifásicas, la relación de conversión es lo suficientemente alta como para que no sea necesario suavizar los circuitos. ^[6] En otros circuitos, como los circuitos del calentador de filamento en la electrónica del tubo de vacío donde la carga es casi totalmente resistiva, se pueden omitir los circuitos de suavizado porque las resistencias disipan tanto la alimentación de CA como de CC, por lo que no se pierde energía.

Para un rectificador de media onda, la relación es muy modesta.

$${\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over 2} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over 2}} (los divisores son 2 en lugar de √ 2 porque no se entrega potencia en el semiciclo negativo)

$${\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi}}

Por lo tanto, la relación de conversión máxima para un rectificador de media onda es,

$${\ displaystyle \ eta = {P _ {\ mathrm {DC}} \ over P _ {\ mathrm {AC}}} \ aprox 40.5 \%}

Del mismo modo, para un rectificador de onda completa,

$${\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2} }}}

$${\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {2 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi} \ cdot {2 \ cdot I _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi}}

$${\ displaystyle \ eta = {P _ {\ mathrm {DC}} \ over P _ {\ mathrm {AC}}} \ aprox 81.0 \%}

Los rectificadores trifásicos, especialmente los rectificadores trifásicos de onda completa, tienen relaciones de conversión mucho mayores porque la ondulación es intrínsecamente más pequeña.

Para un rectificador de media onda trifásico,

$${\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = 3 \ cdot {V _ {\ mathrm {peak}} \ over 2} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over 2}}

$${\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}} \ cdot {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot I _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}}}

Para un rectificador de onda completa trifásico,

$${\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = 3 \ cdot {V _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}}}

$${\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ cdot {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot I _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}}}

Ratio de utilización del transformador [ editar ]

El factor de utilización del transformador (TUF) de un circuito rectificador se define como la relación entre la potencia de CC disponible en la resistencia de entrada y la clasificación de CA de la bobina de salida de un transformador. ^[7] [8]

$${\ displaystyle TUF = {\ frac {P_ {odc}} {\ mathrm {VA \ rating \ of \ transformer}}}}

los $${\ displaystyle VA} La clasificación del transformador se puede definir como: $${\ displaystyle VA = V _ {\ mathrm {rms}} {\ dot {I}} _ {\ mathrm {rms}} (\ mathrm {For \dary \ coil.})}

Caída de tensión del rectificador [ editar ]

Un rectificador real típicamente deja caer parte del voltaje de entrada (una caída de voltaje , para dispositivos de silicio, típicamente de 0.7 voltios más una resistencia equivalente, en general no lineal), y a altas frecuencias, distorsiona las formas de onda de otras maneras. A diferencia de un rectificador ideal, disipa algo de energía.

Un aspecto de la mayoría de las rectificaciones es una pérdida del voltaje de entrada pico al voltaje de salida pico, causada por la caída de voltaje incorporada a través de los diodos (alrededor de 0.7 V para diodos de unión p-n de silicio ordinarios y 0.3 V para diodos Schottky) La rectificación de media onda y la rectificación de onda completa usando un secundario con derivación central produce una pérdida de voltaje pico de una caída de diodo. La rectificación del puente tiene una pérdida de dos caídas de diodos. Esto reduce el voltaje de salida y limita el voltaje de salida disponible si se debe rectificar un voltaje alterno muy bajo. Como los diodos no conducen por debajo de este voltaje, el circuito solo pasa corriente a través de una parte de cada medio ciclo, causando que aparezcan segmentos cortos de voltaje cero (donde el voltaje de entrada instantáneo está por debajo de una o dos gotas de diodo) entre cada "joroba" ".

La pérdida máxima es muy importante para los rectificadores de bajo voltaje (por ejemplo, 12 V o menos), pero es insignificante en aplicaciones de alto voltaje como los sistemas de transmisión de energía HVDC.

Distorsión armónica [ editar ]

Las cargas no lineales como los rectificadores producen armónicos de corriente de la frecuencia de fuente en el lado de CA y armónicos de voltaje de la frecuencia de fuente en el lado de CC, debido al comportamiento de conmutación.

Suavizado de salida del rectificador [ editar ]

Ver también: ondulación (eléctrica) § Tensión de ondulación

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La entrada de CA (amarillo) y la salida de CC (verde) de un rectificador de media onda con un condensador de suavizado. Tenga en cuenta la ondulación en la señal de CC.

Mientras que la rectificación de media onda y onda completa suministra corriente unidireccional, ninguna produce un voltaje constante. Hay un gran componente de voltaje de ondulación de CA en la frecuencia fuente para un rectificador de media onda, y el doble de la frecuencia fuente para un rectificador de onda completa. El voltaje de ondulación generalmente se especifica de pico a pico. La producción de CC estable a partir de un suministro de CA rectificado requiere un circuito o filtro de suavizado . En su forma más simple, esto puede ser solo un condensador (también llamado filtro, depósito o condensador de suavizado), estrangulador, resistencia, diodo y resistencia Zener, o regulador de voltaje colocado en la salida del rectificador. En la práctica, la mayoría de los filtros de suavizado utilizan múltiples componentes para reducir eficientemente el voltaje de ondulación a un nivel tolerable por el circuito.

Rectificador de puente de diodos de onda completa con filtro paralelo de derivación RC

El condensador de filtro libera su energía almacenada durante la parte del ciclo de CA cuando la fuente de CA no suministra energía, es decir, cuando la fuente de CA cambia su dirección de flujo de corriente.

Rendimiento con fuente de baja impedancia [ editar ]

El diagrama anterior muestra el rendimiento del depósito desde una fuente de impedancia cercana a cero , como una fuente de alimentación. A medida que aumenta el voltaje del rectificador , carga el condensador y también suministra corriente a la carga. Al final del cuarto de ciclo, el condensador se carga a su valor pico Vp del voltaje del rectificador. Después de esto, el voltaje del rectificador comienza a disminuir a su valor mínimo Vmin a medida que ingresa al siguiente cuarto de ciclo. Esto inicia la descarga del condensador a través de la carga.

El tamaño del condensador C está determinado por la cantidad de ondulación r que se puede tolerar, donde r = (Vp-Vmin) / Vp. ^[9]

Estos circuitos se alimentan muy frecuentemente de transformadores y tienen una resistencia significativa . La resistencia del transformador modifica la forma de onda del condensador del depósito, cambia el voltaje máximo e introduce problemas de regulación.

Filtro de entrada de condensador [ editar ]

Para una carga dada, el dimensionamiento de un condensador de suavizado es una compensación entre reducir el voltaje de ondulación y aumentar la corriente de ondulación. La corriente máxima se establece por la tasa de aumento de la tensión de alimentación en el borde ascendente de la onda sinusoidal entrante, reducida por la resistencia de los devanados del transformador. Las corrientes de ondulación elevadas aumentan las pérdidas de I ² R (en forma de calor) en los devanados del condensador, rectificador y transformador, y pueden exceder la ampacidad de los componentes o la clasificación VA del transformador. Los rectificadores de tubo de vacío especifican la capacidad máxima del condensador de entrada, y los rectificadores de diodos SS también tienen limitaciones de corriente. Los condensadores para esta aplicación necesitan baja ESR, o la corriente de ondulación puede sobrecalentarlos. Para limitar el voltaje de ondulación a un valor especificado, el tamaño del capacitor requerido es proporcional a la corriente de carga e inversamente proporcional a la frecuencia de suministro y al número de picos de salida del rectificador por ciclo de entrada. La salida rectificada de onda completa requiere un condensador más pequeño porque es el doble de la frecuencia de la salida rectificada de media onda. Para reducir la ondulación a un límite satisfactorio con un solo condensador, a menudo se requeriría un condensador que sea demasiado grande.