Rectificador de diodo de onda completa trifásico (ecuaciones y diagrama de circuito)

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Ultima edición el 21 septiembre, 2023

Los rectificadores de diodo son dispositivos electrónicos utilizados para convertir corriente alterna (AC) en corriente continua (DC). Uno de los tipos de rectificadores más utilizados es el rectificador de diodo de onda completa trifásico, el cual es capaz de rectificar tres fases de corriente alterna simultáneamente. En este artículo, presentaremos las ecuaciones y el diagrama de circuito de un rectificador de diodo de onda completa trifásico, explicando su funcionamiento y sus aplicaciones en la industria y en la electrónica en general.

Principio de funcionamiento

El rectificador de diodo de onda completa trifásico es un dispositivo que se utiliza para convertir la corriente alterna trifásica en corriente continua. Su principio de funcionamiento se basa en el uso de diodos, componentes electrónicos que permiten el flujo de corriente en una sola dirección.

Diagrama de circuito

El diagrama de circuito del rectificador de diodo de onda completa trifásico consta de tres transformadores, seis diodos y una carga, como se muestra a continuación:

Diagrama de circuito del rectificador de diodo de onda completa trifásico

En este circuito, cada transformador convierte la corriente alterna trifásica en corriente alterna monofásica. Luego, cada corriente monofásica se rectifica mediante dos diodos, que permiten el paso de la corriente en una sola dirección. La carga conectada al circuito recibe corriente continua.

Ecuaciones

Las ecuaciones que rigen el funcionamiento del rectificador de diodo de onda completa trifásico son las siguientes:

  • La tensión de entrada del transformador se expresa como V1 = Vm sin(ωt), donde Vm es la tensión máxima y ω es la frecuencia angular.
  • La tensión de salida del transformador se expresa como V2 = V1/√2.
  • La tensión en el diodo cuando está encendido se expresa como VD = 0.7V.
  • La corriente que fluye a través del diodo cuando está encendido se expresa como ID = Im sin(ωt).
  • La corriente que fluye a través de la carga se expresa como IL = Im/π.

Funcionamiento

El funcionamiento del rectificador de diodo de onda completa trifásico se divide en dos fases:

Fase 1: Positiva

En esta fase, la tensión de entrada del transformador es positiva, lo que hace que los diodos D1, D3 y D5 conduzcan y los diodos D2, D4 y D6 estén bloqueados. La corriente fluye a través de la carga en una sola dirección, produciendo corriente continua.

Fase 2: Negativa

En esta fase, la tensión de entrada del transformador es negativa, lo que hace que los diodos D2, D4 y D6 conduzcan y los diodos D1, D3 y D5 estén bloqueados. La corriente fluye a través de la carga en la misma dirección que en la fase anterior, produciendo corriente continua.

De esta manera, el rectificador de diodo de onda completa trifásico convierte la corriente alterna trifásica en corriente continua, lo que lo convierte en un componente esencial en la industria eléctrica y electrónica.

Componentes necesarios

Para construir un rectificador de diodo de onda completa trifásico, se requieren los siguientes componentes:

1. Transformador trifásico

El transformador trifásico se utiliza para suministrar la energía trifásica al rectificador. Este transformador tiene tres bobinas separadas, cada una de las cuales está conectada a una fase de la red trifásica. El voltaje de salida de cada bobina es de 220V, que es la tensión de línea.

2. Diodos

Se necesitan seis diodos para construir un rectificador de diodo de onda completa trifásico. Estos diodos se utilizan para convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Los diodos seleccionados deben tener una corriente inversa máxima y una corriente directa continua adecuadas para el circuito.

3. Capacitores

Los capacitores se utilizan para suavizar la salida del rectificador. Después de que los diodos convierten la corriente alterna en corriente continua, la salida aún puede tener una pequeña cantidad de ondulación. Los capacitores se utilizan para suavizar esta ondulación y producir una salida de CC más estable.

4. Resistencias

Las resistencias se utilizan para limitar la corriente en el circuito. Estas resistencias se colocan en serie con los diodos para limitar la corriente que fluye a través de ellos. Las resistencias deben tener una resistencia adecuada para el circuito.

5. Inductores

Los inductores se utilizan para filtrar la corriente en el circuito. Los inductores se colocan en serie con los diodos y las resistencias para filtrar la ondulación restante en la salida del rectificador.

6. Cargas

Las cargas son los dispositivos que se alimentan con la salida del rectificador. Estas cargas pueden ser motores, luces, electrodomésticos, etc.

En resumen, para construir un rectificador de diodo de onda completa trifásico se necesitan:

  • Transformador trifásico
  • Seis diodos
  • Capacitores
  • Resistencias
  • Inductores
  • Cargas

Es importante seleccionar los componentes adecuados para el circuito y seguir el diagrama de circuito correctamente para asegurar un funcionamiento adecuado del rectificador de diodo de onda completa trifásico.

Análisis de circuito equivalente

El análisis de circuito equivalente es una técnica ampliamente utilizada en la ingeniería eléctrica para simplificar y entender mejor un circuito complejo. Es particularmente útil en el diseño y análisis de sistemas de potencia. En el caso del rectificador de diodo de onda completa trifásico, el análisis de circuito equivalente se utiliza para obtener una comprensión más clara del funcionamiento del circuito y para calcular parámetros importantes como el voltaje y la corriente.

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Diagrama de circuito del rectificador de diodo de onda completa trifásico

El rectificador de diodo de onda completa trifásico consta de seis diodos conectados en un puente. El circuito se utiliza para convertir la corriente alterna trifásica en corriente continua. El diagrama de circuito es el siguiente:

diagrama de circuito de rectificador de diodo de onda completa trifásico

El rectificador trifásico consta de dos transformadores, tres fases y seis diodos.

Ecuaciones del circuito equivalente

El análisis de circuito equivalente implica la simplificación del circuito original en un circuito equivalente que tenga las mismas propiedades eléctricas. En el caso del rectificador de diodo de onda completa trifásico, el circuito equivalente se puede representar mediante las siguientes ecuaciones:

  • Vdc = (2/π)*√2*Vp*cos(α)
  • Idc = (3/π)*Io

Donde:

  • Vdc es el voltaje de salida promedio del rectificador
  • Vp es el voltaje pico de la fase de entrada
  • α es el ángulo de conducción de los diodos (0 ≤ α ≤ π/2)
  • Io es la corriente de carga

Significado de las ecuaciones

La primera ecuación muestra que el voltaje de salida promedio del rectificador depende del voltaje pico de la fase de entrada y del ángulo de conducción de los diodos. Cuanto mayor sea el voltaje pico de la fase de entrada y más tiempo estén los diodos en conducción, mayor será el voltaje de salida promedio. La segunda ecuación muestra que la corriente de salida del rectificador es directamente proporcional a la corriente de carga.

Aplicación del análisis de circuito equivalente

El análisis de circuito equivalente se utiliza para calcular el voltaje y la corriente en el rectificador de diodo de onda completa trifásico. Por ejemplo, si se sabe que la corriente de carga es de 10 amperios, se puede utilizar la segunda ecuación para calcular la corriente de salida del rectificador, que es de 10*(3/π) = 9.55 amperios. De manera similar, si se sabe que el voltaje pico de la fase de entrada es de 220 voltios y el ángulo de conducción es de 45 grados, se puede utilizar la primera ecuación para calcular el voltaje de salida promedio, que es de (2/π)*√2*220*cos(45) = 247.23 voltios.

La simplificación del circuito en un circuito equivalente permite calcular fácilmente parámetros importantes como el voltaje y la corriente.

Ecuaciones aplicables

El rectificador de diodo de onda completa trifásico es un circuito ampliamente utilizado en aplicaciones industriales y comerciales. Este circuito convierte la corriente alterna trifásica en corriente continua. Para entender mejor este circuito, es importante conocer las ecuaciones aplicables que lo rigen.

Diagrama de circuito

Antes de profundizar en las ecuaciones, es importante tener una comprensión clara del diagrama de circuito del rectificador de diodo de onda completa trifásico. Este circuito consta de:

  • Tres transformadores de entrada
  • Seis diodos (dos en cada fase)
  • Un filtro de capacitancia
  • Una carga resistiva

El diagrama de circuito se ve así:

Diagrama de circuito del rectificador de diodo de onda completa trifásico

Ecuaciones aplicables

Las ecuaciones que rigen el rectificador de diodo de onda completa trifásico son:

Ecuación de voltaje de entrada: El voltaje de entrada se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

Vp = Vm * √2

Donde:

  • Vp: El voltaje de entrada pico
  • Vm: El voltaje de entrada máximo

Ecuación de voltaje de salida: El voltaje de salida se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

Vo = Vp – 2*Vd

Donde:

  • Vo: El voltaje de salida
  • Vp: El voltaje de entrada pico
  • Vd: La caída de voltaje a través de los diodos (0.7V)

Ecuación de corriente de carga: La corriente de carga se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

Io = (2*√3*Vm) / (π*RL)

Donde:

  • Io: La corriente de carga
  • Vm: El voltaje de entrada máximo
  • RL: La resistencia de carga

Ecuación de factor de potencia: El factor de potencia se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

FP = Cos(θ) = PDC / (Vo * Io)

Donde:

  • FP: El factor de potencia
  • θ: El ángulo de fase entre el voltaje de entrada y la corriente de carga
  • PDC: La potencia de salida continua
  • Vo: El voltaje de salida
  • Io: La corriente de carga

Estas ecuaciones son esenciales para el diseño y la optimización del rectificador de diodo de onda completa trifásico. Con una comprensión clara de estas ecuaciones, los ingenieros pueden calcular los parámetros del circuito para lograr un rendimiento óptimo.

Análisis de tensiones y corrientes

En un rectificador de diodo de onda completa trifásico, el análisis de tensiones y corrientes es crucial para entender el comportamiento del circuito y garantizar su correcto funcionamiento.

Diagrama de circuito

El circuito consta de tres fuentes de voltaje sinusoidal, tres diodos rectificadores y una carga resistiva. A continuación, se muestra el diagrama de circuito:

Diagrama de circuito de rectificador de diodo de onda completa trifásico

Análisis de tensiones

Para analizar las tensiones en el circuito, se pueden utilizar las siguientes ecuaciones:

  • Tensión de entrada: Vin = Vm * sin(ωt)
  • Tensión en el lado positivo de la carga: Vp = Vm * sin(ωt) – Vd
  • Tensión en el lado negativo de la carga: Vn = -Vm * sin(ωt)
  • Tensión de salida: Vout = Vp – Vn

Donde:

  • Vm es la amplitud del voltaje de entrada.
  • ω es la frecuencia angular de la señal de entrada.
  • Vd es la caída de voltaje en el diodo rectificador.

Es importante destacar que la tensión de salida no es continua, sino que presenta una forma de onda pulsante. Sin embargo, puede ser filtrada mediante un capacitor para obtener una tensión continua.

Análisis de corrientes

En cuanto a las corrientes en el circuito, se pueden utilizar las siguientes ecuaciones:

  • Corriente en el lado positivo de la carga: Ip = (Vm * sin(ωt) – Vd) / Rl
  • Corriente en el lado negativo de la carga: In = -Vm * sin(ωt) / Rl

Donde Rl es la resistencia de carga.

Conclusiones

El análisis de tensiones y corrientes en un rectificador de diodo de onda completa trifásico permite entender su funcionamiento y asegurar su correcto desempeño. Es importante tener en cuenta las ecuaciones y diagramas de circuito para realizar un análisis adecuado.

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Determinación de potencia

La determinación de potencia en un Rectificador de diodo de onda completa trifásico es un proceso importante para asegurar que el sistema funciona correctamente y cumple con los requisitos de energía necesarios. La potencia se refiere a la cantidad de energía que se transfiere en un circuito eléctrico y se mide en vatios (W).

Diagrama de circuito

El diagrama de circuito de un Rectificador de diodo de onda completa trifásico muestra cómo se conectan los componentes eléctricos para permitir la conversión de la corriente alterna en corriente continua. El circuito contiene seis diodos y tres bobinas de carga, conectadas en serie.

Diagrama de circuito de un Rectificador de diodo de onda completa trifásico

Ecuaciones

Para determinar la potencia en un Rectificador de diodo de onda completa trifásico, se utilizan las siguientes ecuaciones:

  • Potencia de entrada: Pin = √3 x VLL x IL x cos(θ)
  • Potencia de salida: Pout = VDC x IDC
  • Rendimiento: η = Pout / Pin

Donde:

  • VLL es la tensión de línea a línea
  • IL es la corriente de línea
  • θ es el ángulo de fase entre la tensión y la corriente
  • VDC es la tensión de salida
  • IDC es la corriente de salida

Ejemplo

Supongamos que tenemos un Rectificador de diodo de onda completa trifásico con una tensión de línea a línea de 480V y una corriente de línea de 10A. Si el ángulo de fase es de 30 grados y la tensión de salida es de 400V, podemos calcular la potencia utilizando las ecuaciones:

  • Pin = √3 x 480V x 10A x cos(30°) = 8.3kW
  • Pout = 400V x IDC

Suponiendo que la corriente de salida es de 20A, podemos calcular la potencia de salida:

  • Pout = 400V x 20A = 8kW

Finalmente, podemos calcular el rendimiento:

  • η = Pout / Pin = 8kW / 8.3kW = 0.96

Conclusión

La determinación de potencia en un Rectificador de diodo de onda completa trifásico es esencial para garantizar un funcionamiento eficiente y efectivo del sistema. Al utilizar las ecuaciones apropiadas y un diagrama de circuito preciso, podemos calcular la potencia de entrada y salida, así como el rendimiento del sistema. Esto nos permite optimizar la eficiencia y la capacidad del sistema, lo que es crucial para una amplia variedad de aplicaciones eléctricas.

Características de salida

En un rectificador de diodo de onda completa trifásico, las características de salida se refieren a las propiedades de la corriente continua que se obtiene después del proceso de rectificación. Estas características son importantes para determinar la eficiencia y la calidad de la energía que se está suministrando a la carga.

Características de salida de un rectificador de diodo de onda completa trifásico:

  1. Voltaje de salida: el voltaje de salida de un rectificador de diodo de onda completa trifásico es el voltaje máximo que puede suministrar a la carga. Este voltaje depende del voltaje de entrada y de la configuración del circuito. Para calcular el voltaje de salida, se utiliza la fórmula:
  2. Vdc= (3 x Vm) / π

    Donde Vm es el voltaje máximo de la fase de entrada.

  3. Corriente de salida: la corriente de salida es la corriente continua que fluye a través de la carga. Esta corriente depende del voltaje de entrada, de la resistencia de carga y de la configuración del circuito. Para calcular la corriente de salida, se utiliza la fórmula:
  4. Idc = (3 x Im) / π

    Donde Im es la corriente máxima de la fase de entrada.

  5. Rizado de la corriente de salida: el rizado de la corriente de salida es la variación de la corriente que se produce debido a la presencia de ondulaciones en el voltaje de salida. Este rizado se puede reducir mediante el uso de capacitores en el circuito.
  6. Ruido de la corriente de salida: el ruido de la corriente de salida es la interferencia que se produce en la corriente debido a factores externos, como la radiación electromagnética o la interferencia de otros circuitos. Este ruido se puede reducir mediante el uso de filtros en el circuito.

Estas características son importantes para determinar la eficiencia y la calidad de la energía que se está suministrando a la carga.

Características de salida

En un rectificador de diodo de onda completa trifásico, las características de salida se refieren a las propiedades de la corriente continua que se obtiene después del proceso de rectificación. Estas características son importantes para determinar la eficiencia y la calidad de la energía que se está suministrando a la carga.

Características de salida de un rectificador de diodo de onda completa trifásico:

  1. Voltaje de salida: el voltaje de salida de un rectificador de diodo de onda completa trifásico es el voltaje máximo que puede suministrar a la carga. Este voltaje depende del voltaje de entrada y de la configuración del circuito. Para calcular el voltaje de salida, se utiliza la fórmula:
  2. Vdc= (3 x Vm) / π

    Donde Vm es el voltaje máximo de la fase de entrada.

  3. Corriente de salida: la corriente de salida es la corriente continua que fluye a través de la carga. Esta corriente depende del voltaje de entrada, de la resistencia de carga y de la configuración del circuito. Para calcular la corriente de salida, se utiliza la fórmula:
  4. Idc = (3 x Im) / π

    Donde Im es la corriente máxima de la fase de entrada.

  5. Rizado de la corriente de salida: el rizado de la corriente de salida es la variación de la corriente que se produce debido a la presencia de ondulaciones en el voltaje de salida. Este rizado se puede reducir mediante el uso de capacitores en el circuito.
  6. Ruido de la corriente de salida: el ruido de la corriente de salida es la interferencia que se produce en la corriente debido a factores externos, como la radiación electromagnética o la interferencia de otros circuitos. Este ruido se puede reducir mediante el uso de filtros en el circuito.

Estas características son importantes para determinar la eficiencia y la calidad de la energía que se está suministrando a la carga.

Aplicaciones típicas

El rectificador de diodo de onda completa trifásico es un componente fundamental en muchos sistemas de energía eléctrica. Sus aplicaciones típicas incluyen:

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1. Alimentación de motores

Los motores eléctricos son una de las principales cargas eléctricas en la industria y en el hogar. El rectificador de diodo de onda completa trifásico se utiliza en la alimentación de motores eléctricos, proporcionando una corriente de alta calidad y una tensión constante.

2. Suministro de energía de CC

El rectificador de diodo de onda completa trifásico también se utiliza para suministrar energía de CC a equipos electrónicos y sistemas de control. Esto incluye aplicaciones como fuentes de alimentación para computadoras, sistemas de iluminación LED y controladores de motores.

3. Sistemas de carga de baterías

El rectificador de diodo de onda completa trifásico es una parte importante de los sistemas de carga de baterías, ya sea para vehículos eléctricos o para sistemas de almacenamiento de energía en el hogar o la industria. Proporciona una corriente de carga estable y eficiente para las baterías.

4. Sistemas de soldadura

El rectificador de diodo de onda completa trifásico se utiliza en sistemas de soldadura para proporcionar una corriente de alta calidad y una tensión constante. Esto es especialmente importante en la soldadura de alta precisión, como la soldadura de circuitos integrados o la soldadura de precisión en la industria aeroespacial.

5. Sistemas de inversión de energía

El rectificador de diodo de onda completa trifásico también se utiliza en sistemas de inversión de energía, que convierten la energía de CC en energía de CA. Este tipo de sistema se utiliza en aplicaciones como sistemas de energía solar y sistemas de alimentación de emergencia.

6. Sistemas de generación de energía

El rectificador de diodo de onda completa trifásico se utiliza en sistemas de generación de energía, como generadores de turbinas eólicas o sistemas de generación de energía hidroeléctrica. Proporciona una corriente de alta calidad y una tensión constante a la red eléctrica.

Ventajas y desventajas

El rectificador de diodo de onda completa trifásico es un circuito eléctrico utilizado en la industria para convertir la corriente alterna en corriente continua. A continuación, se presentan las ventajas y desventajas de este tipo de rectificador:

Ventajas

  • Mayor eficiencia: El rectificador de diodo de onda completa trifásico tiene una mayor eficiencia en comparación con otros tipos de rectificadores. Esto se debe a que utiliza seis diodos, lo que permite un flujo de corriente más suave y constante.
  • Menor rizado: El rizado de la corriente continua generada por este tipo de rectificador es menor que el de otros tipos de rectificadores. Esto se traduce en una mayor estabilidad en la salida de corriente continua.
  • Mayor capacidad de carga: Debido a su mayor eficiencia, el rectificador de diodo de onda completa trifásico es capaz de manejar cargas más pesadas sin sufrir daños en el circuito.
  • Menor coste: En términos de coste, este tipo de rectificador es más económico que otros tipos de rectificadores de alta potencia.

Desventajas

  • Mayor complejidad: El rectificador de diodo de onda completa trifásico es más complejo en comparación con otros tipos de rectificadores. Esto se debe a que utiliza seis diodos en lugar de cuatro, lo que aumenta la complejidad del circuito.
  • Mayor tamaño: Debido a su mayor complejidad, este tipo de rectificador es más grande en comparación con otros tipos de rectificadores de alta potencia.
  • Mayor coste de mantenimiento: Debido a su mayor complejidad y tamaño, el coste de mantenimiento del rectificador de diodo de onda completa trifásico es mayor en comparación con otros tipos de rectificadores.

Sin embargo, también presenta algunas desventajas en términos de complejidad, tamaño y coste de mantenimiento. Por lo tanto, debe evaluarse cuidadosamente si este tipo de rectificador es la mejor opción para una determinada aplicación industrial.

En conclusión, el rectificador de diodo de onda completa trifásico es un circuito muy utilizado en la industria para convertir la corriente alterna en corriente continua. Su diseño se basa en la utilización de diodos que permiten el paso de la corriente en un solo sentido, eliminando la parte negativa de la onda. Además, su alto rendimiento y eficiencia lo convierten en una opción ideal para muchos procesos industriales. Por lo tanto, si estás buscando un circuito confiable y eficiente para convertir corriente alterna en corriente continua, el rectificador de diodo de onda completa trifásico es una excelente opción a considerar.

En conclusión, el rectificador de diodo de onda completa trifásico es una solución eficiente para convertir la corriente alterna trifásica en corriente continua. El circuito consta de seis diodos y una carga conectada en paralelo. Las ecuaciones matemáticas para calcular la tensión de salida y la corriente son relativamente sencillas, pero es importante considerar las características de la carga para diseñar un circuito adecuado. El diagrama de circuito muestra la disposición de los diodos y la carga, lo que facilita su implementación práctica. En general, este rectificador es ampliamente utilizado en aplicaciones de alta potencia, como en la industria y en sistemas eléctricos de transporte.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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