Rectificadores de potencia
Con 30° de retardo, un puente trifásico de tiristores conectado a 400 V entrega 468 V en lugar de 540, y su factor de potencia baja de 0,95 a 0,83. Regular la tensión con el ángulo de disparo consume potencia reactiva.
01Rectificadores no controlados
Un rectificador de diodos entrega una tensión continua fija, que depende solo de la red. Con carga muy inductiva, la corriente de salida es casi constante y cada diodo conduce un tramo del ciclo:
| Configuración | Tensión media | Pulsos por ciclo |
|---|---|---|
| Puente monofásico | \( \frac{2\sqrt2}{\pi} V \approx 0{,}90\,V \) | 2 |
| Puente trifásico (de seis pulsos) | \( \frac{3\sqrt2}{\pi} V_{LL} \approx 1{,}35\,V_{LL} \) | 6 |
| Dos puentes con transformador estrella y triángulo | El doble, con ondulación menor | 12 |
Con un capacitor a la salida, en cambio, la corriente de red es una serie de picos angostos cerca del máximo de la tensión: así funcionan los rectificadores de casi todos los equipos electrónicos, y así contaminan la red con armónicos, tema de calidad de energía. La corrección activa del factor de potencia se trata en fuentes conmutadas.
02Rectificadores controlados
Reemplazando los diodos por tiristores, cada uno se dispara con un retardo \( \alpha \) respecto del instante en que un diodo empezaría a conducir. En un puente trifásico con carga inductiva:
La corriente de cada fase es una onda casi rectangular de 120°, desplazada \( \alpha \) respecto de su tensión. Contiene los armónicos de orden \( 6k \pm 1 \) —5, 7, 11, 13…— con amplitudes cercanas a \( 1/h \) de la fundamental, y su factor de potencia es aproximadamente \( 0{,}955 \cos\alpha \).
Un puente de seis tiristores conectado a una red de 400 V y 50 Hz, con carga muy inductiva de corriente Id constante. Arriba, la tensión de salida (azul) y su valor medio (amarillo); abajo, la corriente de la fase a (naranja) junto con la forma de su tensión, en gris.
03Aplicaciones
Los rectificadores controlados alimentan motores de corriente continua (máquinas de continua), electrólisis, hornos y cargadores de baterías de gran potencia, y son la base de la transmisión en corriente continua de alta tensión, donde un puente rectifica en un extremo y otro, con α cercano a 150°, invierte en el otro. Para potencias chicas y medianas fueron reemplazados por rectificadores de diodos seguidos de un convertidor conmutado, o por rectificadores activos con transistores, que toman corriente senoidal con factor de potencia unitario.
04En el laboratorio
Con un puente semicontrolado sobre carga resistiva e inductiva, medir la tensión media en función del ángulo de disparo y compararla con la fórmula.
Con un analizador de redes, medir el espectro de la corriente de un puente trifásico y verificar los órdenes 5, 7, 11 y 13.
Agregar inductancias en serie con la red y observar las muescas en la tensión de salida.
05Errores frecuentes
- Olvidar la caída por conmutación. Con una red débil, la tensión media es bastante menor que la ideal.
- Llevar el disparo cerca de 180° en modo inversor. El tiristor saliente no llega a apagarse y el puente falla.
- Confundir el factor de desplazamiento con el de potencia. Los armónicos bajan el factor de potencia aunque cos φ sea alto.
- Aplicar las fórmulas de carga inductiva a una carga resistiva. Con carga resistiva y α mayor que 60° la corriente se corta y la tensión media es otra.
06Autoevaluación
¿Qué tensión media da un puente trifásico de diodos sobre 400 V?
\( 1{,}35 \cdot 400 \approx 540 \) V.
¿Qué ángulo de disparo da 270 V, sin inductancia de red?
60°, porque cos 60° = 0,5.
¿Qué armónicos tiene la corriente de un puente de seis pulsos?
Los de orden 6k ± 1: 5, 7, 11, 13, 17, 19…
¿Qué hace falta para que el puente trabaje como inversor?
Una fuente de energía del lado de continua que mantenga la corriente, y α entre 90° y unos 150°.
07Para ampliar
- Ned Mohan, Tore M. Undeland y William P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. 3.ª ed., Wiley, 2003. Los rectificadores de diodos y de tiristores, con la conmutación.
- Muhammad H. Rashid. Electrónica de potencia. 4.ª ed., Pearson. Los rectificadores controlados con sus parámetros de rendimiento.
- Jos Arrillaga y Neville R. Watson. Power System Harmonics. 2.ª ed., Wiley, 2003. Los armónicos de los convertidores y su efecto en la red.