Convertidores AC/AC Reguladores de Alterna.

Los controladores ac/ac tienen como finalidad suministrar tensin y

corriente alterna variable a partir de una fuente alterna. Su operacin se
basa en la conexin y desconexin a intervalos regulares de la fuente
sobre la carga. Este convertidor est conformado por dos
semiconductores de potencias colocadas en anti paralelo que controla la
conexin de la fuente en cada semiciclo.
Funcionamiento: interruptores electrnicos conecta y desconecta la
fuente a intervalos regulares. Esta conmutacin 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.
Por el tipo de componente de potencia que se utiliza en su
construccin se califican en 2 tipos: Controlados (SCR O TRIAC) y
Semi Controlado (SCR O DIODO).

Controlador AC/AC semi controlado.

Puente Controlado.

Aplicaciones de los Convertidores AC/AC Reguladores de

Alterna.
Hornos Industriales.
Hornos de Induccin.
Control de Iluminacin.
Arranque y Control de Velocidad de Motores de Induccin.
Control de Reactivos.
Rels de Estado Slido.

Caractersticas de los Convertidores AC/AC Reguladores de

Alterna.
Realizan la conversin ac/ac de forma directa y sin etapa de intermedia
de continua.
Los tiristores no necesitan bloqueo forzado gracias al paso natural por
cero de la intensidad.
Proporciona una tensin de frecuencia fundamental menor o igual que la
frecuencia de la tensin de entrada.
Proporciona una tensin con un cierto contenido de armnicos.

Clasificacin de los Convertidores AC/AC Reguladores de

Alterna.
Por tipo de Reguladores:
Totales: Permiten la mxima variacin de amplitud de la tensin de
salida y presentan un mayor nmero de armnicos.
Diferenciales: La amplitud de la tensin de salida tiene un margen ms
estrecho de variacin y el contenido de armnicos es menor que el caso
de los reguladores total.
Por tipos de control:
De fase: El valor de la tensin eficaz entregado a la carga se controla
mediante el ngulo de disparo de los tiristores.
Integral: El control de la tensin eficaz entregado a la carga apagando
los tiristores durante el ciclo completo de la tensin de la red.
Ciclo convertidores: el contenido de armnicos es menor que los otros
reguladores de alterna y tiene funcionamiento en cuatro cuadrantes,
puede funcionar tanto en cargas pasivas como en cargas regenerativas
y para cualquier factor de potencia.

Convertidores AC/DC Rectificadores.

Un convertidor AC/DC es un tipo de alimentacin externa, a menudo
encerrada en lo que aparenta ser una clavija de corriente de gran
tamao. Se utilizan normalmente con losdispositivos elctricos que
no contienen su propia fuente de alimentacin interna. Los circuitos
internos de una fuente de alimentacin externa son muy similares
en diseo al que se utiliza para laalimentacin imbuido (built-in) o
interna.
RECTIFICADOR
Es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna
en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos
rectificadores, ya seansemiconductores de estado slido, vlvulas al
vaco o vlvulas gaseosas como las de vapor de mercurio.

Dependiendo de las caractersticas de la alimentacin en corriente

alterna que emplean, se lesclasifica en monofsicos, cuando estn
alimentados por una fase de la red elctrica, o trifsicos cuando se
alimentan por tres fases.
Atendiendo al tipo de rectificacin, pueden ser de media onda,
cuando solo se utiliza uno de los dos semi ciclos de la corriente, o
de onda completa, donde ambos semi ciclos son aprovechados. El
tipo ms bsico de rectificador es el rectificador monofsico de
media onda, constituido por un nico diodo entre la fuente de
alimentacin y la carga.
Rectificadores de Media Onda No Controlado.
Un rectificador convierte la corriente alterna en corriente continua. La
finalidad de un rectificador puede ser generar una onda de tensin o
corriente continua pura o con un nivel determinado de corriente
continua. En la prctica los rectificadores de media onda se utilizan en
las aplicaciones de baja potencia debido a que estos introducen sobre
el sistema de alterna, corriente media con contenido diferente de
cero. Esta corriente media ocasiona problemas de saturacin en las
mquinas elctricas y en especial en los transformadores. Aunque sus
aplicaciones son limitadas, merece la pena su estudio ya que su
compresin permitir el anlisis de configuraciones ms compleja de
los puentes convertidores de electrnica de potencia. En la figura 5.1,
se presenta la configuracin de este puente convertidor.

PUENTE RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA.

El estudio de los rectificadores de media onda alimentados con fuentes

sinusoidales, su anlisis con otro tipo de alimentacin alterna es anlogo. Para
activar el diodo o derrumbar la barrera de potencial de la juntura NP, se
requiere su polarizacin en directo es decir, que el nodo sea ms positivo que
el ctodo (vak > 0), mientras que para su desactivacin serequiere que la
corriente que circula por el dispositivo sea igual ha cero, una forma de
lograr esto es polarizando el dispositivo en inverso, es decir con
tensin nodo - ctodo negativa (vak <0), o esperar que la corriente
pase naturalmente por cero (i(tb) = 0), esto trae como consecuencia
que el apagado del diodo dependa de la naturaleza de la carga, en
pocas palabras del adelanto o atraso del cruce por cero de la
corriente con respecto a la tensin. Para el estudio del puente
rectificador es necesario realizar algunas definiciones que sern tiles
para la compresin y anlisis de su funcionamiento.
ngulo o tiempo de encendido ():
Es el ngulo o instante de tiempo en el cual la barrera de potencial de
la juntura se derrumba y por la componente empieza a circular
corriente.
ngulo o tiempo de apagado ():
Es el ngulo o instante de tiempo en el cual la barrera de potencial de
la juntura se restituye y por la componente se inhibe o suprime la
circulacin de corriente.
ngulo o tiempo de conduccin ():
Es el tiempo total o diferencia angular en al cual circula corriente por
la componente y est definido por:
= -

Rectificador con Carga Resistiva.

En la figura se presenta en puente rectificador de media onda con
carga pura resistiva. El puente esta alimentado por una fuente alterna
de forma sinusoidal dada por la expresin: v f (t) =2V sen (t).

Puente Rectificador de Media Onda no Controlado con Carga

Resistiva.
Considerando el diodo ideal, es decir que su tensin de ruptura es
cero, el ngulo de encendido del diodo para esta fuente sinusoidal se
obtiene cuando el diodo se polariza en directo. Esto ocurre durante el
semi ciclo positivo de la sinusoide (vak _ 0) por lo tanto el ngulo de
encendido es cero(a = 0).
Para encontrar el ngulo de apagado es necesario encontrar cuando
la corriente pasa naturalmente por cero (i(t ) = 0). En el circuito de la
figura, la corriente para 0 t t es:

i(t) =v f (t)= 2V sen (wt)

R
R
La corriente de la expresin (5.2) pasa naturalmente por cero en
t=, por lo tanto el ngulo de apagado es =
En la figura 5.3, se presenta la corriente y la tensin en la carga
resistiva y la fuente para este puente convertidor no controlado.

Tensin.Corriente.
Formas de Onda para la Carga Resistiva.

Rectificador con Diodo de Descarga Libre.

Se presenta en puente rectificador de media onda con carga resistiva
inductiva
y diodo de descarga libre. El puente esta alimentado por una fuente
alterna de forma sinusoidal (v f (t) =2V sen (wt)).

Puente Rectificador de Media Onda no Controlado con Carga RL y Diodo de Descarga

Libre.

Considerando el diodo D1 ideal, es decir que su tensin de ruptura es cero, el

ngulo de encendido del diodo para esta fuente sinusoidal se obtiene cuando el
diodo se polariza en directo durante el semiciclo positivo de la sinusoide (vak
0) por lo cual D1 = 0 y D1 = . Para el diodo D2 de descarga libre el cual se
encuentra en paralelo con la carga, su polarizacin en directo se alcanza en el
semiciclo negativo de la onda sinusoidal por lo tanto aD2 = y D2 = 2. Al
encender el diodo dos este le da un camino de circulacin a la corriente de la
carga, asumiendo la totalidad de la corriente del diodo principal permitiendo el
apagado del mismo. Este mecanismo de apagado se conoce como
conmutacin forzada.
Se presenta el oscilo grama de corriente en la carga RL durante la
operacin del convertidor electrnico. En esta figura se puede
observar claramente dos etapas de operacin en el puente. Una
transitoria correspondiente a la energizacin del puente y la otra a la

operacin en estado estacionario. La operacin en estado

estacionario se caracteriza por que la corriente sobre la carga en un
periodo de operacin completo del puente debe ser de valor igual al
mismo instante en el periodo anterior. A este hecho se le conoce
como condicin de rgimen permanente y matemticamente se
expresa como:
i(t) = i (t +T)
En la figura 5.15 se presentan las forma de onda de la tensin y
corriente en la carga y fuente de alterna de este puente convertidor,
para una fuente de v f (t) =
2120sen (377t) ,R = 60yL = 223mH.

TensionCorrientes
Formas de onda para un rectificador no controlado de media onda con diodo de descarga
Libre.

Rectificador de Media Onda Controlado

Los rectificadores de media onda de diodos son conocidos como no
controlados, debido a que su salida en corriente continua es fija y
determinada por el valor pico de la fuente de corriente alterna que lo
alimenta, su forma y la carga conectada en sus terminales. Una forma
de controlar el valor DC entregado por el puente rectificador es
reemplazar el diodo por otro dispositivo de electrnica de potencia
capaz de tener mayor grado de controlabilidad. Una de las posibles
formas de controlar la salida del puente rectificador es sustituir el
diodo por un rectificador controlado de silicio (SCR) o tiristor. Se
presenta el esquema del puente rectificador de media onda
controlado con tiristor.

Esquema del Rectificador de Media Onda Controlado.

El control de la tensin de corriente continua a la salida del

rectificador, se basa en retardar el inicio de la conduccin del SCR
mediante el pulso de corriente en la compuerta del dispositivo. Este
pulso de corriente en la compuerta del dispositivo corresponde al
ngulo de encendido () de la componente. Para tener control de
encendido del tiristor se deben cumplir dos condiciones bsicas:
Polarizacin nodo ctodo positiva (vak 0) y pulso de corriente en la
compuerta del dispositivo (ig >0).
A diferencia del diodo, el tiristor no entrar en estado de conduccin
en cuanto la seal de la fuente de alimentacin sea positiva. La
conduccin no se inicia hasta que se aplica un pulso de corriente en la
compuerta de encendido (Gate), lo cual es la base para utilizar el SCR
como dispositivo de control. Una vez que el tiristor derrumba la
barrera de potencial de las junturas NP y comienza a conducir, la
corriente por la compuerta de encendido se puede retirar y el
dispositivo continua en conduccin hasta que la corriente que circula
por l se hace igual a cero de forma natural o forzada.

Rectificador con Carga Resistiva.

Se presenta el puente rectificador de media onda controlado con
carga pura resistiva. El puente esta alimentado por una fuente alterna
de forma sinusoidal dada por la expresin: v f (t) =2V sen (wt).

Puente rectificador de media onda controlado con carga resistiva.

Considerando el Tiristor ideal, es decir que su tensin de ruptura es

cero, el rango de controlabilidad del puente est determinado por
aquello valores del ngulo de encendido donde el tiristor se encuentre
polarizado en directo (vak 0), garantizando de esta forma la
conduccin de la componente. El rango de control del tiristor est
comprendido para este caso particular de fuente sinusoidal en su
semi ciclo positivo (0 ). El ngulo de encendido a define el
tiempo de inicio de conduccin de la componente mediante la
siguiente expresin: t =/
Para encontrar el ngulo de apagado es necesario encontrar cuando
la corriente pasa naturalmente por cero (i(t) = 0). La corriente para
tt t es:

i(t) = v f (t)=2V sen (t)

RR
La corriente de la expresin pasa naturalmente por cero en t = ,
por lo tanto el ngulo de apagado es = .
Se presentan las forma de onda de la tensin y corriente en la carga y
fuente de alterna de este puente convertidor para un ngulo de
disparo = / 3.

TENSIONCORRIENTE
Tensin y corriente en la carga resistiva

Rectificador Monofsico.
La finalidad de los rectificadores de onda completa es la misma que los de
media onda, generar una tensin o corriente continua especfica, a partir de
una fuente de corriente alterna. Los rectificadores de onda completa, presentan
mejores ventajas comparativas que los de media onda. La ventaja
msimportante, es que la corriente media en el sistema alterno de alimentacin
del rectificador es cero, evitando as los problemas asociados al fenmeno de
saturacin de las mquinas elctricas conectadas a la misma barra de
alimentacin en corriente alterna. Adicionalmente, disminuye el rizado en las
corrientes de salida en la barra de corriente continua y se obtiene un mayor
valor de tensin y corriente continua para la misma fuente de alimentacin. Se
analizar el puente rectificador monofsico de onda completa controlado, el
anlisis del rectificador no controlado o de diodos es anlogo al controlado si
sustituimos el ngulo de disparo por cero o min en el caso de tener carga
activa tipo RLE.

Aplicaciones
Cargadores de Batera.
Fuentes de Poder.
Control de Velocidad y Posicin de Mquinas de Corriente
Contina.
Transmisin en Corriente Continua (HVDC).
Excitatriz de Mquinas Sincrnicas.
Electro Filtros.
Entre Otras.

Esquema del Rectificador de Onda Completo Monofsico.

Se presenta el esquema de un rectificador controlado de onda completa
clsico, utilizado en electrnica de baja potencia. Este puente est compuesto
por cuatro interruptores electrnicos de potencia, lo cuales son encendidos
alternadamente en parejas cada medio ciclo de la onda alterna de la fuente de
poder. Otra representacin del mismo puente convertidor, se puede observar
en la figura 2. Generalmente esta representacin es la ms utilizada en
electrnica de potencia.

DIAGRAMA

ESQUEMA

Puente Rectificador Monofsico.

Operacin del Puente Rectificador.
Durante el semiciclo positivo de la fuente de tensin, los tiristores uno y tres se
encuentran polarizados en directo mientras que los componentes dos y cuatro
en inversor. Durante este semiciclo, al recibir pulso de disparo por la compuerta
los SCR uno y tres entran en conduccin y la corriente circula por las
componentes y la carga.

Circulacin de corriente por el puente convertidor durante el semiciclo positivo de la

fuente.

Los tiristores uno y tres pueden apagar de forma natural si la corriente pasa por
cero antes de que los SCR dos y cuatro reciban orden de encendido durante el
semiciclo negativo de la fuente. Adicionalmente, estos tiristores tambin
pueden apagar de forma forzada al encender los dispositivos dos y cuatro los
cuales suministrarn un nuevo camino de circulacin a la corriente de la carga
durante el semiciclo negativo de la fuente. Se presenta el camino de circulacin
de la corriente durante el semiciclo negativo de la fuente con los dispositivos
dos y cuatro encendidos.

Circulacin de corriente por el puente convertidor durante el semiciclo negativo de la

fuente

Para obtener simetra en la corriente en la fuente con respecto al semiciclo

positivo y negativo los ngulos de disparos entre las componentes T1, T3 y T2,
T4 deben estar desfasados en la mitad del periodo de la fuente alterna
(T=2).Se puede observar como la circulacin de corriente en la carga es igual
para ambos casos. El esquema de pagado de las componentes (natural o
forzado) define dos formas de operacin del puente convertidor.
Condicin no continuada de corriente: cuando el apagado de las componentes
se realiza de forma natural (i(t ) = 0), en esta operacin la corriente sobre la

carga es cero durante un lapso de tiempo,en el cual ninguno de los

componentes electrnicos conduce corriente. Otra forma de
determinar esta condicin de operacin es calculando el ngulo de
apagado de las componentes el cual debe ser menor al de encendido
de los dispositivos a conmutar (b <(a +T=2)).

Circuito Equivalente del Puente Rectificador Monofsico.

El puente rectificador de onda completa monofsico de puede
modelar mediante la superposicin de dos puentes de media onda
desfasados en medio periodo de la seal de alterna, agrupando los
tiristores T1, T3 y T2, T4 en dos SCR TA y TB donde:
TAT1 ^T3 Y TBT2 ^T4
Se presenta el circuito equivalente del puente rectificador de onda
completa monofsico. El periodo de la seal en el lado de corriente
continua es de la mitad del de la fuente de corriente alterna que
alimenta el convertidor (T=2).

Circuito equivalente del rectificador de onda completa monofsico.

Puente Semicontrolado.
Se presenta el esquema del puente rectificador Semicontrolado
alimentando una carga resistiva inductiva. Este puente est
conformado por dos tiristores y dos diodos a diferencia del puente
controlado.

Puente rectificador Semicontrolado.

Durante la operacin del puente en cada semiciclo de la forma de

onda de la fuente, el diodo inferior del tiristor que se encuentra
encendido queda conectado en paralelo a la carga realizando
funciones de descarga libre. se presentan las topologas de
conduccin del puente para los semiciclo positivos y negativos de la
fuente.

Semiciclo positivo.Semiciclo negativo.

Topologa del rectificador Semicontrolado para cada semiciclo de la fuente.

El diodo de descarga libre origina que la carga no pueda ver tensin negativa
(vcarga (t)). La operacin de este convertidor en condicin continuada de
corriente depende de la constante de tiempo de la carga (t), el periodo de
operacin de la fuente (T) y del retardo en el encendido ( ) del puente.Para
garantizar condicin continuada de operacin para una carga resistiva
inductiva, se debe garantizar que:

t =LT
R10

Rectificador Trifsico.
La finalidad de los rectificadores trifsicos es la misma que los de
media onda y onda completa monofsica, generar una tensin o
corriente continua especfica, a partir de una fuente de corriente
alterna. Los rectificadores trifsicos, presentan mejores ventajas
comparativas que los de media onda. La ventaja ms importante, es
que la corriente en el sistema alterno de alimentacin del rectificador
es cero, evitando as los problemas asociados al fenmeno de
saturacin de las mquinas elctricas conectadas a la misma barra de
alimentacin en corriente alterna. Adicionalmente, disminuye el
rizado en las corrientes de salida en la barra de corriente continua y
se obtiene un mayor valor de tensin y corriente continua. En este
captulo se analizar el puente rectificador trifsico controlado, el
anlisis del rectificador no controlado o de diodos es anlogo al
controlado si sustituimos el ngulo de disparo por cero.

Aplicaciones.
Cargadores de Batera.
Fuentes de Poder.
Control de Velocidad y Posicin de Mquinas de Corriente
Continua.
Transmisin en Corriente Continua (HVDC).
Excitacin de Mquinas Sincrnicas.
Electro Filtros.
Entre Otras.

Esquema del Rectificador Trifsico.

Se presenta el esquema de un rectificador controlado trifsico. Este
puente est compuesto por seis interruptores electrnicos de
potencia, lo cuales son encendidos alternadamente en parejas cada
medio ciclo de las tres ondas alternas de la fuente de poder.

Diagrama del puente rectificador trifsico.

Operacin del Puente Rectificador.

En el anlisis inicial del circuito, se considera que el generador
trifsico es equilibrado, de secuencia positiva (a; b; c) e ideal al igual
que los Tiristores. En este circuito se tiene:
1. En los terminales elctricos del puente se aplica la tensin lnea a
lnea del sistema trifsico generado por la fuente de poder. (vab; vbc;
vca)
2. Aplicando la ley de Kirchhoff de tensiones sobre el circuito, se
demuestra que slo puede conducir un tiristor en la mitad superior
del puente (T1; T3; T5). El tiristor en estado de conduccin
corresponde al que presenta la mayor tensin instantnea de fase en
su ctodo y tiene pulso de encendido en la compuerta.
3. De igual forma, la ley de Kirchhoff de tensiones muestra que slo
puede conducir a la vez un tiristor de la mitad inferior (T2; T4; T6). El
tiristor en estado de conduccin tendr su ctodo conectado a la
tensin de fase de menor valor en ese instante.
4. Los Tiristores de la misma rama no pueden conducir al mismo
tiempo debido a que originaran un cortocircuito en la barra de
corriente continua.
5. La tensin de salida del puente sobre la carga, se obtiene como la
superposicin de las tensiones lnea a lnea del sistema trifsico y de
sus complementos.
6. Debido a que la transicin de la tensin lnea a lnea ms elevada
se realiza cada sexto del periodo del generador el puente se
denomina: rectificador de seis pulsos.

Tensiones Lnea a Lnea del Generador Trifsico con sus Complementos.

Secuencia de Disparo del Puente.

Anlisis de la Operacin del Puente.

La condicin de operacin del puente de seis pulsos puede ser analizada en
rgimen transitorio y rgimen permanente de operacin. En esta seccin se
analizar el puente en rgimen permanente de operacin.
Analizando el circuito y considerando los Tiristores ideales, es decir que su
tensin de ruptura es cero, el rango de controlabilidad del puente est
determinado por aquello valores del ngulo de encendido donde el tiristor se
encuentre polarizado en directo (vak0), garantizando de esta forma la
conduccin de la componente, esto ocurre cuando la fuente de tensin
sinusoidal iguala y supera a la fuente de tensin continua (E) de la carga por lo
cual el ngulo de encendido mnimo es funcin de la magnitud de las fuentes
sinusoidal y continua del circuito. El rango de control del tiristor est
comprendido para este caso particular de fuente sinusoidal entre el ngulo de
disparo mnimo y mximo (mina max).