Rectificadores AC-DC: Fundamentos, Tipos y Aplicaciones en Electrónica de Potencia

Rectificadores No Controlados: Conversión AC-DC Eficiente

La tensión senoidal proporcionada por la red se convierte a tensión continua, como paso previo a posteriores conversiones encargadas de adaptar la forma de la energía a la requerida para el control del proceso. La conversión AC-DC se realiza mediante un rectificador no controlado, implementado con diodos, que se conecta directamente a la red, evitando el uso de grandes y caros transformadores. Para que la tensión de salida del rectificador presente el menor rizado posible, se incorporan filtros en su salida. Sin embargo, la corriente absorbida de la red presenta una elevada distorsión.

Tipos de Rectificadores No Controlados y sus Características

Rectificador de Media Onda con Carga

Este tipo de rectificador permite el paso de los periodos positivos de la señal AC y recorta los negativos, generando una tensión de salida pulsante.

Rectificadores de Onda Completa y Puente con Carga

Estos rectificadores ofrecen un mayor valor de tensión continua en la salida, son más fáciles de rectificar y presentan más componentes de continua, lo que los hace ideales para diversas aplicaciones.

Rectificador de Puente con Carga de Corriente Constante (Id=cte)

Para reducir el rizado en la carga, se introducen filtros a la salida del rectificador. Se puede introducir una bobina de grandes dimensiones en serie con la carga, como en generadores resonantes paralelos para caldeo inductivo. Si la inductancia (L) introducida es elevada, la corriente en el inductor se mantiene constante. Es importante destacar que los armónicos impares son perjudiciales en este tipo de configuración.

Rectificador de Puente con Carga de Corriente Constante (Id=cte) y Ls ≠ 0

En este caso, la impedancia de la red (Ls) no es despreciable. En un intervalo de tiempo, todos los diodos pueden estar en conducción (por ejemplo, D1 y D2 ON, D3 y D4 OFF), lo que afecta el comportamiento del circuito.

Rectificador de Puente con Carga de Tensión Constante (Vd=cte)

Este caso es poco frecuente. El condensador de filtro es suficientemente grande para que la tensión de salida (Vd) se mantenga constante. Si el convertidor electrónico alimenta una carga en estado estacionario, la potencia en la carga es constante. Las pérdidas y el almacenamiento de energía en el convertidor son despreciables. La inductancia (L) siempre está presente para mejorar el comportamiento. Se observa un mayor factor de cresta; si Ls aumenta, el factor de cresta disminuye.

Rectificadores Trifásicos No Controlados

Rectificador Trifásico de Puente con Carga de Corriente Constante (Id=cte)

En esta configuración, conducen los diodos con mayor tensión en la carga. No se generan armónicos simples. Los diodos inferiores conducen cuando la tensión de fase es negativa, y los superiores cuando es positiva, asegurando una rectificación continua.

Rectificador Trifásico de Puente con Carga de Tensión Constante (Vd=cte) y Corriente de Inrush

Este tipo de rectificador se puede analizar mediante un método gráfico. Es importante considerar el transitorio que se produce en el momento de la conexión del rectificador (con el condensador de filtro descargado) a la red. Aparece una sobretensión en la carga (que puede dañar el condensador de filtro y/o la carga) y una sobrecorriente en la red (que puede dañar los diodos del rectificador).

Para evitar los problemas mencionados, se utiliza un sistema de contactores que permite la carga inicial del condensador a través de una resistencia. Para cargas reducidas (Imax = 20A), es posible utilizar resistencias tipo NTC (Negative Temperature Coefficient). Este tipo de resistencias presenta valores a 25ºC entre 1 y 100 Ω (según modelos), lo cual es suficiente para limitar la corriente de inrush a valores tolerables por los diodos. Se suele elegir R25 para limitar la corriente de inrush a un 50% del valor de pico admitido por los diodos. Cuando la NTC se calienta por efecto de la corriente que circula por ella, su resistencia se reduce a Rmin = 1~10% de R25.

Ventajas de los Rectificadores Trifásicos

• Presentan un menor rizado de la tensión de salida y de mayor frecuencia (6fs vs 2fs), por lo que requieren condensadores de filtrado de menor capacidad.
• La corriente de red presenta menor distorsión en los sistemas trifásicos, lo que provoca que su factor de potencia sea sustancialmente mejor.
• La tensión de salida de los rectificadores trifásicos es mucho más estable respecto a las variaciones de la corriente de carga.
• Además, no generan armónicos triples.

Rectificadores Controlados: Flexibilidad en la Conversión AC-DC

Basados en tiristores, los rectificadores controlados permiten obtener una tensión continua de amplitud variable a partir de la red eléctrica.

Características y Aplicaciones de los Rectificadores Controlados

Debido a su carácter reversible, se emplean en aplicaciones de alta potencia trifásica donde se requiere controlar el flujo de potencia en ambas direcciones. Un caso típico es el control de motores con capacidad de frenado regenerativo. Son bidireccionales en tensión y unidireccionales en corriente.

Funcionamiento y Control

Cuando se requiere un control en cuatro cuadrantes, se recurre a una interconexión back to back de dos rectificadores controlados. El funcionamiento de los rectificadores controlados consiste en retrasar el disparo de los tiristores un ángulo (conocido como ángulo de disparo) respecto del punto donde se iniciaría la conducción en el caso de diodos. El corte se produce de forma análoga a como ocurre en los diodos de los rectificadores no controlados. Si la carga es un motor, se puede simplificar tomándola como una fuente de corriente constante.

Rectificador de Puente con Carga de Corriente Constante (Id=cte)

En este tipo de rectificador, si la potencia (P) es mayor que 0 (P > 0), funciona como rectificador; si la potencia es menor que 0 (P < 0), funciona como inversor, permitiendo el flujo de energía en ambas direcciones.