Qué es el convertidor de CA a CA y su funcionamiento

Los convertidores de CA a CA se utilizan para convertir las formas de onda de CA con una frecuencia y magnitud determinadas en formas de onda de CA con otra frecuencia y otra magnitud. Esta conversión es necesaria sobre todo en el caso del control de velocidad de las máquinas, también para aplicaciones de baja frecuencia y magnitud de tensión variable. Sabemos que hay diferentes tipos de cargas que funcionan con diferentes tipos de fuentes de alimentación, como la monofásica o la trifásica, y las fuentes también pueden diferenciarse en función del rango de tensión y frecuencia.

¿Qué es un convertidor de CA a CA?

Necesitamos una tensión y una frecuencia determinadas para hacer funcionar algunos dispositivos o máquinas especiales. Para el control de la velocidad de los motores de inducción, se utilizan principalmente convertidores de CA a CA (cicloconvertidores). Para obtener una alimentación de CA deseada a partir de la alimentación real, necesitamos unos convertidores llamados convertidores de CA a CA.

Tipos de convertidores de CA a CA

Los convertidores de CA a CA pueden clasificarse en diferentes tipos:

• Convertidores cíclicos
• Convertidores de CA a CA con enlace de CC
• Convertidores de matriz
• Convertidores matriciales híbridos

1. Cicloconvertidores

Los cicloconvertidores se denominan principalmente cambiadores de frecuencia que convierten la potencia de CA con una frecuencia de entrada en potencia de CA con una frecuencia de salida diferente y pueden utilizarse también para cambiar la magnitud de la potencia de CA. Se prefieren los cicloconvertidores para evitar los enlaces de CC y para evitar muchas etapas como la de CA a CC a CA, que no es económica y causa más pérdidas. El coste del enlace de CC necesario variará en función de los valores de la potencia de alimentación que se utilice.

La figura anterior muestra el principio de funcionamiento de un cicloconvertidor en el que la frecuencia de la onda de entrada cambia cambiando el ángulo de disparo aplicado a los tiristores. Al conmutar los tiristores de miembro positivo y negativo, podemos obtener una frecuencia de salida variable que puede ser una frecuencia ascendente o descendente en comparación con la frecuencia de entrada.

Los cicloconvertidores se clasifican en diferentes tipos según distintos criterios

Los cicloconvertidores constan de dos extremidades: la extremidad positiva, también llamada convertidor positivo, y la extremidad negativa, también llamada convertidor negativo. El miembro positivo funciona durante el semiciclo positivo y el miembro negativo funciona durante el semiciclo negativo.

Clasificación de los cicloconvertidores en función del modo de funcionamiento:

Cicloconvertidores en modo de bloqueo

Estos cicloconvertidores no necesitan ningún reactor limitador, ya que en este modo sólo conduce un miembro, ya sea positivo o negativo, a la vez, y el otro miembro está bloqueado. De ahí que se llamen Cicloconvertidores de modo bloqueante.

Cicloconvertidor en modo de corriente circulante

Estos cicloconvertidores necesitan un reactor limitador, ya que tanto el miembro positivo como el negativo conducen a la vez, por lo que se coloca un reactor para limitar la corriente circulante. Como ambos miembros conducen al mismo tiempo, habrá una corriente circulante en el sistema, por lo que se denomina cicloconvertidor de modo de corriente circulante.

Clasificación de los cicloconvertidores en función del número de fases de la tensión de salida

Cicloconvertidores monofásicos

También se clasifican en dos tipos en función del número de fases de entrada.

cilcoconvertidor de 1Ø a 1 Ø

Este cicloconvertidor convierte la forma de onda de CA monofásica con frecuencia de entrada y magnitud t en forma de onda de CA de salida con una magnitud y frecuencia diferentes.

cicloconvertidor de 3Ø a 1 Ø fase

Este cicloconvertidor tiene una alimentación de CA trifásica con una frecuencia y magnitud de entrada y produce la salida como una forma de onda de CA monofásica con una frecuencia o magnitud de salida diferente.

cicloconvertidor de 3Ø a 3 Ø fases

Este cicloconvertidor tiene una alimentación de CA trifásica con frecuencia y magnitud de entrada y produce la salida como forma de onda de CA trifásica con una frecuencia o magnitud de salida diferente.

Clasificación de los cicloconvertidores en función del ángulo de encendido de los miembros positivos y negativos

Cicloconvertidores de envoltura

En este tipo de cicloconvertidores, el ángulo de disparo se fija para los semiciclos positivo y negativo durante el semiciclo positivo. Para un convertidor positivo, el ángulo de disparo se fija en α=0°, y durante el semiciclo negativo, el ángulo de disparo se fija en α=180°.

Del mismo modo, para un convertidor negativo, el ángulo de encendido se ajusta a α=180°, durante el semiciclo positivo, y durante el semiciclo negativo, el ángulo de encendido se ajusta a α=0°.

Cicloconvertidores de fase controlada

Utilizando este tipo de cicloconvertidores, podemos cambiar la magnitud de la tensión de salida, además de la frecuencia de la misma. Ambas cosas se pueden variar variando el ángulo de disparo del convertidor.

2. Convertidores de CA a CA con enlace de CC

Los convertidores de CA a CA con enlace de CC suelen estar formados por un rectificador, un enlace de CC y un inversor, ya que en este proceso la CA se convierte en CC mediante el rectificador. Después de convertirla en CC, el enlace de CC se utiliza para almacenar la energía de CC, y luego se convierte de nuevo en CA utilizando el inversor. El circuito del convertidor de CA a CA con un enlace de CC se muestra en la figura.

Los convertidores de CA a CA con enlace de CC se clasifican en dos tipos:

Convertidor de fuente de corriente

En este tipo de inversor, se utilizan uno o dos inductores en serie entre uno o ambos miembros de la conexión entre el rectificador y el inversor. El rectificador utilizado aquí es un dispositivo de conmutación de fase controlada como el puente de tiristores.

Convertidor de fuente de tensión

En este tipo de convertidor, el enlace de CC consiste en un condensador en derivación y el rectificador en un puente de diodos. Se prefieren los puentes de diodos para la carga baja, ya que la distorsión de la línea de CA y el bajo factor de potencia causados por el puente de diodos son menores que los del puente de tiristores.

Sin embargo, los convertidores de CA a CA con enlace de CC no se recomiendan para potencias elevadas, ya que la capacidad requerida del componente pasivo del enlace de CC aumenta con el incremento de la potencia nominal. Para almacenar una potencia elevada, necesitamos componentes pasivos voluminosos de almacenamiento de CC que no son económicos ni eficientes, ya que las pérdidas también aumentan para convertir la CA en CC y el proceso de CC en CA.

3. Convertidores de matriz

Los convertidores matriciales se utilizan para convertir la CA en CA directamente sin utilizar ningún enlace de CC para aumentar la fiabilidad y la eficiencia del sistema reduciendo el coste y las pérdidas del elemento de almacenamiento del enlace de CC.
El convertidor de matriz consta de interruptores bidireccionales que prácticamente no existen en la actualidad, pero que pueden realizarse utilizando los IGBT, y que son capaces de conducir corriente y bloquear tensión de ambas polaridades.

Los convertidores matriciales se clasifican de nuevo en diferentes tipos en función del número de componentes utilizados.

Convertidor de matrices dispersas

La función de un convertidor matricial disperso es idéntica a la del convertidor matricial directo, pero en este caso el número de interruptores necesarios es menor que en el convertidor matricial directo, por lo que se puede mejorar la fiabilidad del sistema reduciendo la complejidad de control.
para el convertidor matricial disperso se necesitan 18 diodos, 15 transistores y 7 potenciales de control aislados.

Convertidor de matriz muy dispersa

El número de diodos aumenta con la reducción del número de transistores en comparación con el convertidor de matriz dispersa, por lo que, debido al mayor número de diodos, las pérdidas de conducción son elevadas. La función del convertidor de matriz muy dispersa es similar a la del convertidor de matriz dispersa/directa.

para un convertidor matricial muy disperso se necesitan 30 diodos, 12 transistores y 10 potenciales de conductor aislados.

Convertidor matricial ultra disperso

Se utilizan para accionamientos de velocidad variable de baja dinámica, ya que la etapa de entrada de este convertidor es unidireccional y, por ello, hay un desplazamiento de fase admisible entre la corriente fundamental de entrada y la tensión de entrada. Del mismo modo, para una tensión de salida fundamental y una corriente de salida es de 30°, por lo que se utilizan principalmente para accionamientos PSM de velocidad variable de baja dinámica.

se necesitan 12 diodos, 9 transistores y 7 potenciales de conductor aislados para el convertidor matricial ultra disperso.

Convertidor matricial híbrido

Los convertidores matriciales que convierten AC/DC/AC se denominan Convertidores matriciales híbridosal igual que los convertidores matriciales, estos convertidores híbridos tampoco utilizan ningún condensador ni inductor ni enlace de CC.

Se clasifican de nuevo en dos tipos según el número de etapas que adopten para la conversión, si la tensión y la corriente se convierten en una sola etapa, entonces ese convertidor puede llamarse convertidor matricial directo híbrido.

Si la tensión y la corriente se convierten en dos etapas diferentes, ese convertidor puede llamarse Convertidor de Matriz Indirecta Híbrida.

Ejemplo:

Cicloconvertidor con tiristores

El proyecto del cicloconvertidor se refiere al control de la velocidad de un motor de inducción monofásico mediante la técnica del cicloconvertidor con tiristores. Los motores de inducción son máquinas de velocidad constante que se utilizan frecuentemente en muchos electrodomésticos como lavadoras, bombas de agua y aspiradoras.

El circuito consta de un sistema de alimentación (con transformador, rectificador y regulador para convertir la CA en CC) está conectado al microcontrolador y la alimentación de CA se mantiene en el cicloconvertidor. El microcontrolador está conectado con el optoaislador y la selección de modo. El cicloconvertidor está conectado con el motor.

La velocidad del motor de inducción puede variarse en tres pasos como F, F/2 y F/3. El microcontrolador está conectado con interruptores deslizantes y el estado de estos interruptores puede variarse de forma que el microcontrolador proporcione los impulsos de activación adecuados al puente doble de tiristores del cicloconvertidor. Con la variación de los pulsos de disparo, se puede variar la frecuencia de la forma de onda de salida del cicloconvertidor. De este modo, se puede conseguir el control de la velocidad del motor de inducción monofásico.

Esto es todo sobre algunos de los convertidores de CA a CA junto con su breve discusión y principios de funcionamiento. Estos convertidores se encuentran sobre todo en equipos de conversión de alta potencia relacionados con aplicaciones de control electrónico de potencia. Si quieres más información y aplicación práctica de estos convertidores, puedes escribirnos comentando a continuación.

Créditos de las fotos: