Portada del Proyecto

Este es un trabajo colaborativo sobre diseño de conversores AC-DC desarrollado por Michael Steveen Suárez Díaz para la Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD).

El proyecto forma parte de la Fase 1 del curso de electrónica de potencia, bajo la tutoría de Medardo Quintero García. Se enfoca en el análisis práctico de circuitos rectificadores.

💡 Dato clave: Los conversores AC-DC están en casi todos los dispositivos electrónicos que usás, desde tu laptop hasta el microondas.

Introducción a la Electrónica de Potencia

¿Sabés por qué tu celular puede cargarse con corriente alterna pero funciona con corriente continua? Esa es la magia de la electrónica de potencia.

Esta disciplina se encarga de convertir y controlar la energía eléctrica de manera eficiente. Su objetivo principal es optimizar el consumo energético y mejorar la eficiencia de los sistemas eléctricos.

Las aplicaciones están por todas partes: UPS (sistemas de energía ininterrumpida), fuentes de alimentación conmutadas, convertidores de energía renovable y control de motores eléctricos. Básicamente, todo lo que necesita transformar energía de una forma a otra.

💡 Importante: La rectificación de onda completa con puente de diodos es una de las técnicas más usadas para convertir AC en DC de manera eficiente.

Parámetros del Sistema

Acá tenés las especificaciones técnicas del variador de velocidad que se va a diseñar.

Fuente de alimentación:

• Voltaje de entrada: 120 VRMS (monofásico)
• Frecuencia de línea: 70 Hz

Especificaciones del motor:

• Potencia: 1 Hp
• Corriente nominal: 8.0 A
• Factor de potencia: 0.8
• Rango de operación: 40 Hz - 100 Hz

💡 Tip: Estos parámetros son típicos en motores industriales pequeños, perfectos para entender los conceptos básicos sin complicarte.

Cálculos Matemáticos del Conversor AC-DC

Ahora viene lo bueno: los cálculos matemáticos. No te preocupes, son más fáciles de lo que parecen.

Paso 1 - Voltaje pico: Vp = VRMS × √2 = 120V × 1.414 = 169.7V

Paso 2 - Voltaje de rizado (3%): Vr = 0.03 × 169.7V = 5.09V

Paso 3 - Voltaje de salida DC: VDC = Vp - Vr = 169.7V - 5.09V = 164.61V

Paso 4 - Capacitancia del filtro: La fórmula clave es: C = I / (2 × f × Vr)

💡 Recordá: El rizado del 3% significa que el voltaje varía muy poco, lo que es excelente para aplicaciones que necesitan voltaje estable.

Resultados de los Cálculos

Terminando los cálculos del capacitor y la resistencia de carga.

Capacitancia final: C = 8A / (2 × 70Hz × 5.09V) = 1.12 µF

Resistencia de carga (Ley de Ohm): R = V/I = 164.61V / 8A = 20.58 Ω

Resumen de parámetros del conversor AC-DC:

• Voltaje de rizado: 5.09V (3%)
• Capacitor de filtrado: 1.12 µF
• Voltaje de continua: 164.61V

💡 Importante: Estos valores son teóricos. En la práctica siempre vas a tener pequeñas variaciones por tolerancias de componentes.

Diseño del Circuito en Simulación

El circuito simulado muestra un rectificador de onda completa con puente de diodos. Así funciona paso a paso:

Los diodos D1, D2, D3 y D4 forman el puente rectificador que convierte AC en DC pulsante. D1 y D4 conducen en el semiciclo positivo, mientras que D2 y D3 lo hacen en el negativo.

El capacitor C1 (111226F) debería filtrar la señal, pero el bajo voltaje de salida (1.36V) indica un problema en la simulación. Posiblemente la capacitancia no es la adecuada o hay un error en los parámetros.

La resistencia R1 (20.58Ω) representa la carga del sistema. Si es muy baja, puede descargar rápidamente el capacitor.

💡 Consejo: En simulaciones siempre verificá que los valores teóricos coincidan con los prácticos. Si no lo hacen, revisá las conexiones y parámetros.

Análisis de Señal de Entrada

El osciloscopio muestra la señal de entrada al circuito rectificador.

Esta es una onda senoidal perfecta de aproximadamente 120V RMS (170V pico) proveniente de la fuente de corriente alterna. Es la señal original antes de cualquier procesamiento.

La forma es completamente simétrica con valores positivos y negativos, típica de la corriente alterna que llega a nuestros hogares. La frecuencia es de 70 Hz según las especificaciones del proyecto.

Esta señal va a ser transformada por el puente de diodos para eliminar los semiciclos negativos y crear una señal de corriente continua pulsante.

💡 Observación: La señal senoidal pura es ideal para entender el comportamiento básico, aunque en la realidad siempre hay pequeñas distorsiones.

Señal Después del Puente de Diodos

Acá podés ver el efecto del puente rectificador en acción.

La señal ya no tiene valores negativos, lo que confirma que la rectificación de onda completa está funcionando perfectamente. Todos los semiciclos ahora son positivos.

Sin embargo, todavía hay variaciones significativas en el voltaje (desde 44V hasta 162V aproximadamente). Esto es normal porque aún no se ha aplicado el filtrado con capacitor.

Esta señal "pulsante" es típica de la salida de un rectificador sin filtrar. Aunque es corriente continua en el sentido de que no cambia de polaridad, todavía tiene mucho rizado que necesita ser suavizado.

💡 Clave: Esta etapa demuestra que la rectificación funciona, pero necesitás el capacitor para tener un voltaje estable y útil.

Señal Final Filtrada

Esta gráfica muestra la señal después del filtrado con el capacitor.

El resultado debería ser una corriente continua más estable con menos variaciones de voltaje. El capacitor se carga durante los picos de voltaje y se descarga durante los valles, suavizando la señal.

Si el filtrado es efectivo, el rizado debería ser del 3% según los cálculos previos. Esto significa un voltaje mucho más constante y adecuado para alimentar cargas sensibles.

La calidad del filtrado depende directamente del valor del capacitor y de la corriente de carga. Un capacitor más grande produce mejor filtrado pero también mayor costo y tamaño.

💡 Resultado: Una señal bien filtrada es esencial para el correcto funcionamiento de equipos electrónicos que requieren voltaje estable.

Funcionamiento del Variador de Velocidad

Los variadores de velocidad son sistemas complejos que controlan motores trifásicos de manera súper eficiente.

El circuito funciona en tres etapas principales: Primero, la rectificación AC-DC usa un puente de diodos o SCRs para convertir corriente alterna en continua, eliminando los semiciclos negativos.

Segundo, el filtrado y regulación emplea capacitors para reducir el rizado y obtener tensión continua estable. Esta etapa es crucial para que la modulación posterior funcione correctamente.

Tercero, la conversión DC-AC usa IGBTs con modulación PWM para crear corriente alterna nuevamente, pero con frecuencia y amplitud controladas. Esto permite ajustar la velocidad del motor sin alterar la potencia de red.

El modelo en MATLAB/Simulink simula el comportamiento dinámico completo, permitiendo ajustar la frecuencia de salida para controlar la velocidad de manera precisa.

💡 Aplicación: Estos sistemas son fundamentales en la industria moderna para optimizar consumo energético y mejorar el control de movimiento en máquinas.