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Informe N 2: CIRCUITOS CONVERSORES AC-AC Y CIRCUTOS CONVERSORES DC-DC

CIRCUITOS CONVERSORES AC-AC Y CIRCUTOS CONVERSORES DC-DC Henry David Mise Changoluisa E-mail: [email protected] Gabriela Giovanna Tibanquiza E-mail:[email protected] Boris Sebastián Toapanta Jiménez E-mail: [email protected] Luis Gregorio Pilataxi Freire E-mail: [email protected] Elaborado 15 de Noviembre del 2017 RESUMEN Mediante este documento que se realiza acerca de los circuitos conversores AC-AC y DC-DC que existen, detallaremos el gran uso en la industria con sus circuitos respectivos, un conversor es un dispositivo que permite la conversión de energía entre una fuente de carga con alta eficiencia, son muy usados para mejorar la parte de potencia de una industria y no tener pérdidas de energía en la misma. Además mostramos las generalidades, conceptos básicos y la clasificación de los conversores con sus respectivos esquemas y formas de ondas a su salida. Palabras clave: Conversor. Energía, Pérdidas, Potencia

SUMMARY Through this document that is made about the AC-AC and DC-DC converter circuits that exist, we will detail the great use in the industry with their respective circuits, a converter is a device that allows the conversion of energy between a source of charge with High efficiency, are widely used to improve the power part of an industry and not have energy losses in it. In addition we show the generalities, basic concepts and the classification of the converters with their respective schemes and waveforms at their output. Keywords: Converter. Energy, Losses, Power

INTRODUCCIÓN En el presente informe se explica como en la Electrónica de Potencia el convertidor AC-AC de corriente alterna, en forma genérica, acepta de energía eléctrica de un sistema y la convierte para su entrega a otro sistema de corriente alterna con formas de onda de amplitud diferente, frecuencia y fase. Pueden ser de una o tres fases tipos en función de sus clasificaciones de poder. La AC-AC convertidores empleados

para variar la tensión eficaz a través de la carga constante frecuencia son conocidos como controladores o reguladores de voltaje de AC a AC. Los convertidores DC-DC son circuitos electrónicos de potencia que convierten una tensión continua en otro nivel de tensión continua y, normalmente, proporcionan una salida regulada. Los convertidores de potencia DC-DC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, incluyendo fuentes de alimentación para computadores personales, equipos de

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oficina, alimentación de sistemas de navegación, equipos portátiles, y equipos de telecomunicaciones, así como las unidades de motores DC. OBJETIVO GENERAL Realizar una investigación sobre los circuitos conversores AC-AC y los circuitos conversores DC-DC mediante la utilización de citas bibliográficas para lograr simular los circuitos y conocer el funcionamiento, características y aplicaciones de los mismos.

regulares de la fuente sobre la carga. Este convertidor está conformado por dos semiconductores de potencia colocados en antiparalelo que controlan la conexión de la fuente en cada semiciclo. Por el tipo de componente de potencia que se utiliza en su construcción se clasifican en dos tipos: Controlado (SCR o TRIAC) y Semi controlado (SCR y Diodo). B. CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS CONVERSORES AC-AC

OBJETIVOS ESPECIFICOS 

 

Analizar el funcionamiento de los conversores AC-AC que se usan en la actualidad. Conocer las aplicaciones de los circuitos Conversores DC-DC. Realizar la simulación de cada uno de los circuitos tanto AC-AC como DCDC en el programa proteus.

ANÁLISIS TEÓRICO A. CONVERSOR AC-AC Según Ramón Pallás Areny (2006) en su obra Instrumentos electrónicos básicos expresa lo siguiente: Es un convertidor que controla la tensión, la corriente y la potencia media que entrega una fuente de alterna a una carga de alterna. Funcionamiento: Interruptores electrónicos conectan y desconectan la fuente a intervalos regulares. Esta conmutación se produce mediante un esquema denominado control de fase que tiene como efecto eliminar parte de la forma de onda de la fuente antes de alcanzar la carga. Inconvenientes de estos convertidores Al igual que los rectificadores presentan problemas con las corrientes armónicas que se produce por la distorsión de la onda senoidal en la carga. Los controladores AC-AC tienen como funcionalidad suministrar tensión y corriente alterna variable a partir de una fuente alterna. Su operación se basa en la conexión y desconexión a intervalos 3

Según Juan de Dios Sánchez López (2002) en su obra Dispositivos electrónicos de potencia. Expresa lo siguiente: CLSIFICACION DE LOS CONVERSORES AC/AC Tenemos 6 conversores estáticos de energía los cuales son:      

Control de fase directo. Control de fase inverso. Control de fase simétrico. Control de fase diferencial. Control por ciclo integral. Troceador AC. .

1. CONTROL DE FASE DIRECTO Para implementar el control de fase directo se puede hacer uso de un TRIAC en aplicaciones de baja potencia, en cuanto que para potencias más elevadas se utilizan dos SCR´s en anti paralelo. Para las dos aplicaciones el flujo de potencia hacia la carga es controlado variando el ángulo de disparo (α), entre 0 y 180º. (Ver Fig.1) CARACTERÍSTICAS:   

Permite control continuo de potencia Sencillo de implementar Apagado por conmutación natural

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Produce ruido de alta frecuencia (radio frecuencia) Ondas con un alto contenido armónico

Fig.2. CONTROL DE FASE INVERSO Fuente: Areny, R. P. (2006). Instrumentos electrónicos básicos. marcombo. Fig.1. • Control de fase directo. Fuente: Areny, R. P. (2006). Instrumentos electrónicos básicos. marcombo.

2. CONTROL DE FASE INVERSO Según Juan de Dios Sánchez López (2002) en su obra Dispositivos electrónicos de potencia. Expresa lo siguiente: El control de fase inverso puede implementarse utilizando transistores, IGBT o GTO´s, realizando conmutación forzada de los cuales los más recomendables son los GTO´s. Los SCR´s o TRIAC´s no pueden ser utilizados en la implementación de este circuito ya que en el cruce por cero entran a conducir y no se podría sacarlos de este estado. (Ver Fig.2) CARACTERÍSTICAS:     

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Control continuo de potencia Complejo de implementar Trabaja con conmutación forzada Genera ruido en radio frecuencia Distorsión armónica menor a la anterior

3. CONTROL DE FASE SIMETRICO Según Muhammad H. Rashid (2004) en su obra Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones expresa lo siguiente: Este tipo de control utiliza conmutación forzada y su circuito es complejo, se requiere de transistores, IGBT o GTO para su implementación. El control de fase simétrico es la combinación del control de fase directo y el control de fase inverso. EL ángulo (α) debe tener la misma simetría que el ángulo (�-α), en cada semiciclo. (Ver Fig.3) CARACTERÍSTICAS:  Control continuo de potencia  Circuito de control complejo  Tiene menor contenido armónico  Trabaja con conmutación forzada

Informe N 2: CIRCUITOS CONVERSORES AC-AC Y CIRCUTOS CONVERSORES DC-DC Fig.3. CONTROL DE FASE SIMETRICO Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. pearson..

4. CONTROL DE FASE DIFERENCIAL Es uno más de los circuitos que controlan la potencia alterna a través de tiristores como conmutadores estáticos. Para su implementación se utiliza un transformador con tab central. Se aplica generalmente en fuentes reguladoras de AC. (Ver Fig.4) CARACTERÍSTICAS:  No tiene control continuo de potencia  Baja distorsión armónica  Bajo ruido en radiofrecuencia  Conmutación natural

Fig.5. CONTROL POR CICLO INTEGRAL. Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. pearson..

6. TROCEADOR AC Según Muhammad H. Rashid (2004) en su obra Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones expresa lo siguiente: En el troceador AC el circuito de potencia es implementado con transistores y el circuito de control envía una señal de periodo constante y de relación de trabajo variable. El Vrms varía de acuerdo al ancho del pulso. Tiene la ventaja de que la señal troceada casi no presenta armónicos (Ver Fig.6) CARACTERÍSTICAS:  Trabajo a frecuencias altas  Tiene control continuo de potencia  Genera ruido  Conmutación forzada

Fig.4. CONTROL DE FASE DIFERENCIAL Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. pearson..

5. CONTROL POR CICLO INTEGRAL En este tipo de control se deja pasar a la carga un número entero de ciclos completos y se bloquea otro número determinado de ciclos. Se aplica en control de temperatura. (Ver Fig.5) CARACTERÍSTICAS  No tiene control continuo de potencia  No produce interferencia en radiofrecuencia  Se usa control periódico  Circuito de control complejo

Fig.6. TROCEADOR AC. Fuente: Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. pearson..

APLICACIONES CONVERSOR AC-AC 5

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Según Ana Pozo Ruz (2001) en su obra Convertidores Conmutados de Potencia expresa lo siguiente: Una aplicación típica de un convertidor AC-AC es usarlo para controlar la velocidad de un motor de tracción AC como los tipos de motores eléctricos utilizados en locomotoras y la mayor parte de estos convertidores tienen una salida de potencia alta, de la orden unos megavatios y SCRs son usados en este recorrido. En contraste, bajo coste, el poder bajo convertidor para el poder bajo AC motores está también en el uso y muchos de éstos el recorrido tiende a usar triacs en el lugar de SCRs. A diferencia de un SCR, que conduce en sólo una dirección, un triac es capaz de la conducción en una u otra dirección. Otras importantes aplicaciones para estos equipos son en la gran minería, y abarcan las siguientes: 

Accionamiento eléctrico sin engranajes (gearless) mediante motores anillo para molinos semiautógenos (SAG) y de bolas de gran potencia

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Accionamiento eléctrico sin engranajes (gearless) para correas transportadores de gran potencia. Accionamiento eléctrico sin engranajes (gearless) para elevadores (hoists)

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C. CONVERTIDOR DC – DC Según Sergio Bellechasse Lissabet (2015) en su obra Distribución de energía expresa lo siguiente: Se llama convertidor DC-DC a un dispositivo que transforma corriente continua de una tensión a otra. Suelen ser reguladores de conmutación, dando a su salida una tensión regulada y, la mayoría de las veces con limitación de corriente. Se tiende a utilizar frecuencias de conmutación cada vez más elevadas porque permiten reducir la capacidad de los condensadores, con el 6

consiguiente beneficio de volumen, peso y precio. D. CLASIFICACION DE LOS CIRCUITOS CONVERSORES DCDC Reguladores conmutados sin aislamiento De acuerdo con la posición del interruptor y el rectificador, podemos obtener diferentes tipos de convertidores de tensión:  Regulador reductor Buck  Regulador elevador Boost  Regulador reductor elevador Buck Boost Convertidores con aislamiento Los convertidores con aislamiento se pueden clasificar de acuerdo a su cambio de dirección en la curva del ciclo de histéresis B vs. H. Un convertidor con aislamiento es asimétrico si el punto de operación magnético del transformador permanece en el mismo cuadrante. Cualquier otro convertidor, por supuesto, es simétrico. Tenemos entonces:  Convertidor Asimétrico  Regulador off line forward  Convertidor simétrico 1. REGULADOR REDUCTOR (BUCK) Según Ana Pozo Ruz (2001) en su obra Convertidores Conmutados de Potencia expresa lo siguiente: Esta topología es la más básica para un convertidor DC-DC, este está compuesto por un módulo de switcheo y un filtro pasa bajos. (Ver Fig.7)

Fig.7. REGULADOR REDUCTOR (BUCK) Fuente: Ruz, A. P. (2011). Convertidores Conmutados de Potencia. marcombo.

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2. REGULADOR ELEVADOR (BOOST) Según Ana Pozo Ruz (2001) en su obra Convertidores Conmutados de Potencia expresa lo siguiente: El convertidor Boost es un convertidor elevador, en el sentido de que su tensión de salida nunca puede ser menor que la de entrada. La ventaja de esta arquitectura de convertidor es la posibilidad de aumentar la tensión de salida respecto a la de entrada en un factor de hasta aproximadamente 10 sin necesidad de transformador, la utilización de un inductor siempre es más económica que el uso de un transformador. (Ver Fig.8)

Fig.9. CONVERTIDOR REDUCTOR-ELEVADOR BUCKBOOST Fuente: Ruz, A. P. (2011). Convertidores Conmutados de Potencia. marcombo.

4. CONVERTIDORES ASIMÉTRICOS REGULADOR OFF-LINE FLYBACK La energía se almacena en la inductancia del primario (Lp) del transformador, durante el tiempo en el que el interruptor está encendido, y transferido al secundario, cuando está apagado el interruptor. (Ver Fig.10)

Fig.8. REGULADOR ELEVADOR (BOOST) Fuente: Ruz, A. P. (2011). Convertidores Conmutados de Potencia. marcombo...

3. CONVERTIDOR REDUCTORELEVADOR BUCK- BOOST Según Ana Pozo Ruz (2001) en su obra Convertidores Conmutados de Potencia expresa lo siguiente: El convertidor Buck Boost es un dispositivo utilizado para la inversión de la tensión de salida respecto a la de entrada. Su tensión de salida puede ser tanto elevadora como reductora dependiendo del ciclo de trabajo(Ver Fig.9)

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Fig.10. REGULADOR OFF-LINE FLYBACK. Fuente: Ruz, A. P. (2011). Convertidores Conmutados de Potencia. marcombo.

5. REGULADORES OFF LINE FORWARD Según Gabriel Garcerá Sanfeliú(1998) en su obra Conversores conmutados: circuitos de potencia y control expresa lo siguiente: El convertidor forward transfiere directamente la energía a partir de la fuente de entrada a la carga durante el tiempo de encendido, la energía rueda libre a través del inductor de salida D2, como un chopper (Ver Fig.11)

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Son muy utilizados en la industria de amplio desarrollo tecnológico, gracias a sus numerosas ventajas en el área de conversión de potencia. Sus principales aplicaciones están orientadas:  Fuentes de poder  Sistemas de potencia fotovoltaicos  Pilas de combustibles  Vehículos híbridos  Etapas de acondicionamiento y administración de energía

Fig.11. REGULADORES OFF LINE FORWARD Fuente: Sanfeliú, G. G. (1998). Conversores conmutados: circuitos de potencia y control. ISBN.

6. CONVERTIDORES SIMÉTRICOS CONVERTIDOR PUSH-PULL (O EN CONTRAFASE) Es un convertidor DC-DC que proporciona aislamiento por medio de un transformador. La inductancia magnetizante del transformador no es un parámetro de diseño. (Ver Fig.12) E. SIMULACIONES 1. CIRCUITO CONVERSOR AC-AC

Fig.12. CONVERTIDOR PUSH-PULL (O EN CONTRAFASE). Fuente: Sanfeliú, G. G. (1998). Conversores conmutados: circuitos de potencia y control. ISBN.

APLICACIONES CONVERTIDORES DCDC Según Gabriel Garcerá Sanfeliú(1998) en su obra Conversores conmutados: circuitos de potencia y control expresa lo siguiente:

Fig.13.

Simulación del circuito conversor ACAC.

2. CIRCUITO CONVERSOR DC-DC 8

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de accionamiento de DC, por ejemplo, tracción eléctrica, vehículos eléctricos, y maquinaria. Los motores DC con su devanado inductivo y la inercia mecánica actúan como filtros dando como resultado una alta calidad en la corriente de armadura Logramos concluir que mediante el programa proteus logramos diseñar el plano eléctrico del circuito ubicando todos los elementos que compone los conversores tanto AC-AC como DCDC el cual nos a simular tiempo real logrando conocer su funcionamiento. RECOMENDACIONES

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Fig.14.

Simulación del circuito conversor DC-DC

CONCLUSIONES

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Mediante la investigación logramos concluir que los Circuitos Conversores AC-AC se usan para arranque suave de motores de inducción, accionamiento de motores de alterna, control de transformadores, compensación de energía reactiva, etc. Dentro de las aplicaciones de un convertidor DC-DC encontramos que muchas de ellas están en alto rendimiento en la industria de sistemas

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El convertidor simétrico por lo general siempre utiliza un número par de interruptores. También se aprovecha mejor el circuito magnético del transformador que en los convertidores asimétricos. Por lo tanto, es de menor tamaño y su peso puede ser alcanzado. Para cada conversor primero debemos analizarlo conociendo sus componentes esquema y los semiconductores adecuados, para no ocasionar perdidas ya sea en potencia o mal funcionamiento del regulador. Los conversores dependiendo el tipo se recomienda conectarlos en delta o en estrella.

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Bibliografía Areny, R. P. (2006). Instrumentos electrónicos básicos. marcombo. Lissabet, S. B. (2015). Distribución de energía. ISBN . López, J. d. (2002). Dispositivos electrónicos de potencia. UABC. Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones. Perason. Ruz, A. P. (2011). Convertidores Conmutados de Potencia. marcombo. Sanfeliú, G. G. (1998). Conversores conmutados: circuitos de potencia y control. ISBN.

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