Conmutación simétrica de un recticador trifásico al factor de potencia
mejorando en el control de frecuencia mini hidráulica
Investigación y Desarrollo • Volumen 9 • 2015 • Julio - Diciembre • Nº 1 • ISSN: 1390-5546
23
RESUMEN
E
n el presente trabajo se analiza un recticador trifásico de tipo puente con el interruptor en serie con la carga conmutada con el ángulo
simétrico, asistido con los índices de corriente efectiva, potencia activa, potencia reactiva, Potencia aparente, de distorsión y el factor de
potencia. El objetivo es aplicar este recticador conmutado con ángulo simétrico para mejorar el factor de potencia en microcentrales hidroeléc-
tricas que operan en régimen aislado, y que regulan la frecuencia variando la potencia disipada en las cargas de lastre con corriente alterna con
la alternancia de convertidores de corriente. Se suman las expresiones de los índices anteriores de la corriente alterna con la alternancia del
convertidor de corriente. Un ejemplo, se calcula donde ambos convertidores se comparan demostrando la ventaja del circuito recticador con
respecto al factor de potencia del sistema eléctrico.
Palabras clave:
conmutación simétrica; convertidor CA-CA; control de frecuencia;
factor de potencia; recticador
ABSTRACT
I
n the present work is analyzed a type bridge three-phase rectier with switch in series with the load commuted with symmetrical angle, as-
sisting to the indexes effective current, power active, reactive, apparent, of distortion and power factor. The objective is to apply this rectier
commuted with symmetrical angle for the improvement of the power factor in hydroelectric micro centrals that operate in isolated regime,
and that they regulate frequency varying the power dissipated in loads ballasts with alternating current in alternating current converters. The
expressions of the indexes previous of the alternating current in alternating current converter are summarized. An example is calculated where
both converters are compared demonstrating the advantage of the circuit with rectier regarding the factor of power of the electric system.
Keywords:
Rectier; symmetrical switching; CA-CA converter; power factor;
frequency control
INTRODUCCIÓN
CONMUTACIÓN SIMÉTRICA DE UN RECTIFICADOR TRIFÁSICO
AL FACTOR DE POTENCIA MEJORANDO
EN EL CONTROL DE FRECUENCIA MINI HIDRÁULICA
SYMMETRICAL SWITCHING OF A THREE-PHASE RECTIFIER
TO POWER FACTOR IMPROVING
IN THE MINIHYDROELECTRICS FRECUENCY CONTROL
Lorenzo Enríquez-García
1
, Henry Bory
2
, Carmen Mantilla
1
, Carlos Miranda
1
1
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba-Ecuador
2
Universidad de Oriente Sede Mella, Santiago de Cuba-Cuba;
ISSN: 1390 - 5546
Investigación y Desarrollo • Revista de Divulgación Cientíca y Cultural • Volumen 9 • Diciembre 2015 • PP 23 - 32
• Dirección de Investigación y Desarrollo • U.T.A. • Ambato - Ecuador
E
ste trabajo se enfocó en pequeñas centrales hidroeléctri-
cas, ya que prestan servicios en intrincados lugares sin
necesitar embalses o caudales grandes de agua, produciendo
menor impacto ambiental. En algunas micro centrales hi-
droeléctricas (μCHs), al no encontrarse conectadas al Sistema
Electro energético Nacional (SEN), el control de frecuencia se
realiza manteniendo el caudal constante y modicando la po-
tencia disipada en la carga lastre conectada en paralelo con la
carga de usuarios, de modo tal que la potencia generada (PG),
que se desea mantener constante, sea igual a la potencia disi-
pada por la carga lastre (PL) más la potencia consumida por
usuarios (PC), (PennWell, 2009), (Ashish Kumar, 2015).
ARTÍCULO RECIBIDO: 10/01/15
ARTÍCULO ACEPTADO: 08/07/15
Lorenzo Enríquez - García, Henry Bory, Carmen Mantilla, Carlos Miranda
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El método de control de frecuencia por cargas lastres emplean-
do controladores electrónicos presenta ventajas de regulación
más eciente, los esquemas de control son más robustos exi-
bles y exactos; no presentan desgastes, pues no hay piezas en
movimiento; ni requieren mantenimiento necesario de regula-
dores mecánico-hidráulicos.(Mare J & Odello L, 2001),(He-
chavarria M & Bell O, 2008),(Mendoza P A, 2006).
Actualmente nacional como internacionalmente en las μCHs
en las que se regula frecuencia mediante cargas balastros, para
el control de la potencia a disipar en cada una de las tres re-
sistencias lastres se emplea un convertidor de corriente alterna
en corriente alterna (CA-CA). (García J A & Domínguez H,
2004), (Abreu, 2006),(Kurtz V & Anocibar H, 2007b), (Kurtz
V & Anocibar H, 2007a), (Kurts V & Botero F, 2014), (Fong,
2008), (Dihn S, 2010), (Suárez T, 2010), (Peña L, Dominguez
H, & Fong J, 2013), (Vasquez H, Pinedo C, Palacios J, & Ra-
mirez J, 2014), (Bory P, 2011).
(Kurts V & Botero F, 2014), proponen como alternativa del
control de la potencia a disipar en la carga balastro, un recti-
cador trifásico tipo puente a diodos (puente de Graets) con un
mosfet de potencia, que actúa como interruptor en serie con la
carga, al cual con el objetivo de mejorar el factor de potencia
a su entrada se conmuta por modulación de ancho de pulso.
Este control tiene el inconveniente que emplea dispositivos de
potencia de recuperación rápida que son más caros y están me-
nos disponibles que los dispositivos de misma potencia pero
conmutados a baja frecuencia.
Se aplican nuevas formas de conmutar a diferentes conguracio-
nes de puentes recticadores con carga resistiva inductiva (Bory
et, 2006) y (Bory et, 2008), se demuestra que dependiendo de la
forma de conmutar a los componentes, el puente puede consumir
o aportar o ni consumir ni aportar potencia reactiva. La dicultad
en la aplicación de estos métodos ha estado en la necesidad de
emplear varios dispositivos de potencia (MCT, IGBT, GTO, etc.)
que permiten lograr estas formas de conmutar pero que son más
caros que los tiristores de la misma potencia.
El objetivo del presente trabajo consiste en conmutar con án-
gulo simétrico al esquema recticador propuesto por (Kurts V
& Botero F, 2014), para el mejoramiento del factor de potencia
del sistema eléctrico de las micro centrales hidroeléctricas en
el control de la potencia disipada en la carga auxiliar.
Los parámetros analizados son corriente efectiva, potencia ac-
tiva, reactiva, aparente, de distorsión y factor de potencia.
La sección 1 presenta una introducción; la sección 2 Metodo-
logía se subdividió en los acápites 2.1, establece reseña de las
expresiones de los índices de rendimiento y energéticos del
convertidor de CA-CA, y el 2.2, donde se realizó un análisis
del recticador trifásico con interruptor en serie con la carga
conmutado con ángulo simétrico obteniéndose las expresiones
matemáticas de índices de rendimiento y energéticos en fun-
ción del ángulo de conmutación; la sección 3, se desarrolló un
ejemplo de aplicación a las micro centrales hidroeléctricas, se
comparan el recticador trifásico y los convertidores de CA-
CA de acuerdo a los índices mencionados y se demuestra la
ventaja del empleo del recticador con respecto al factor de
potencia a la salida del generador.
Figura 1. Esquema de simulación de convertidor CA-CA.
METODOLOGÍA
Reseña sobre el convertidor de CA-CA
C
omo el sistema es trifásico existe un convertidor en cada
fase que regula la cantidad de energía transferida del al-
ternador a las cargas balastros, se considera que los conver-
tidores están conectados en estrella, son conmutados con el
mismo ángulo de disparo y emplea la conexión a cuatro hilos,
basta analizar uno para obtener los resultados del conjunto.
La Figura 1 muestra el esquema de simulación del convertidor
CA-CA en Psim para una fase, compuesto por fuente de volta-
je sinusoidal (Vf, fase del alternador Vef = 110 V y frecuencia
60 Hz); convertidor CA-CA constituido por tiristores (T1,T2
en anti paralelo), gatillos (G1,G2 pulso de disparo a tiristo-
res, frecuencia 60 Hz); dos puntos de conmutación (ángulo
de disparo deseado), resistencia de carga (carga lastre en fase
R=4.03 Ohm) y marcadores de corriente (IL) y voltaje (VR)
para visualizar las formas de onda de corriente de entrada al
convertidor y voltaje en la carga.
Para el semiciclo positivo del voltaje de entrada se dispara
T1 un ángulo α después del cruce por cero, haciendo que éste
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pase al estado de conducción permitiendo el ujo de potencia
de fuente a carga. En el semiciclo negativo se dispara T2 un
ángulo α después del cruce por cero, haciendo que éste pase al
estado de conducción permitiendo el ujo de potencia de fuente
a carga. Variando el ángulo de disparo se controla el ujo de
potencia. La Figura 2 presenta las formas de onda de voltaje y
corriente del circuito anterior α = 60°.
Figura 2. Formas de ondas signicativas del convertidor CA-CA. (a) Voltaje de la
fuente, (b) Voltaje en carga, (c) Corriente en la línea la misma de la carga.
Valor efectivo de corriente de entrada
2
)2(1
fe
sen
R
V
I
rms
2
)2(
2
fe
sen
R
V
P
ent
(1)
Para
0=
α
la potencia activa es máxima
R
V
P
2
fe
0
=
α
, corres-
ponde con el comportamiento del convertidor, para el valor de
α
, la fuente ve conectada a ella una resistencia pura y
es la potencia que se disipa en dicha resistencia.
−
=
2
)2cos(1
2
fe
α
π
R
V
Q
ent
(3)
En la Figura 3 se graca la potencia reactiva de entrada dividi-
da entre la potencia activa máxima contra el ángulo de disparo,
ésta es cero para
0=
α
y
πα
=
. Para
2/
πα
=
, alcanza
la potencia reactiva su valor máximo de 0.318 veces la po-
tencia activa máxima, ésta es la máxima potencia consumida
de la red. Para
0=
α
, la potencia reactiva es nula, pues no
existe desfasaje entre la componente fundamental de corriente
de entrada y voltaje de alimentación de fase.
Potencia activa de entrada al convertidor CA-CA
+−=
2
)2(
2
fe
α
απ
π
sen
R
V
P
ent
(2)
Para
πα
=
, la potencia de entrada alcanza su valor mínimo,
cero, no se transere potencia de fuente a carga. La ec (3) in-
dica la potencia reactiva de entrada al convertidor de CA-CA,
es positiva lo que indica que consume de red.
Figura 3. Gráca de
0
/
α
PQ
ent
en función del ángulo de disparo.
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Análisis de recticador trifásico tipo puen-
te con interruptor en serie con la carga las-
tre conmutado con ángulo simétrico
La Figura 4 muestra el esquema de simulación del recticador
trifásico con interruptor en serie con la carga lastre o fantasma,
se obtienen las expresiones de índices de rendimiento y ener-
géticos mencionados en función del ángulo de conmutación.
Es importante mencionar que cada convertidor de CA-CA, útil
para el control de potencia a disipar en una resistencia lastre,
consume potencia reactiva inductiva lo que contribuye a em-
peorar el factor de potencia en los terminales del generador
eléctrico. La potencia aparente de entrada al convertidor CA-
CA se muestra en la ecuación (4).
Potencia activa trifásica
3ent
P
Potencia reactiva trifásica
3ent
Q
+−==
2
)2(
33
2
fe
3
α
απ
π
sen
R
V
PP
entent
(7)
−
==
2
)2cos(1
33
2
fe
3
α
π
R
V
QQ
entent
(8)
Potencia aparente trifásica
3ent
S
Factor de potencia red trifásica
3
fp
+−==
2
)2(1
33
2
fe
3
α
απ
π
sen
R
V
SS
entent
(9)
3
3
3
1 (2 )
2
ent
ent
P
sen
fp
S
α
πα
π

= = −+


(10)
+−=
2
)2(1
2
fe
α
απ
π
sen
R
V
S
ent
(4)
Para
0=
α
, la potencia aparente posee su valor máximo
igual a la potencia activa máxima disipada en la resistencia
de carga. Para
πα
=
, la fuente no entrega energía a la carga
por lo que la potencia aparente es nula, su valor mínimo. La
potencia de distorsión de entrada al convertidor de CA-CA,
ec. (5).
1)2cos()2()2()(2
2
2
2
fe
−+−+−=
ααπααπα
π
sen
R
V
T
ent
(5)
Para
0=
α
,
0
ent
T =
ya que la corriente de entrada al converti-
dor no está distorsionada. Para
πα
=
,
0=
ent
T
pues la corriente
de entrada es nula. Para
2/
πα
=
la potencia de distorsión alcan-
za su valor máximo de 0.386 veces la potencia activa máxima.
El factor de potencia ec. (6), para
0=
α
, fp=1, la corriente
de entrada al convertidor es perfectamente sinusoidal y está en
fase con el voltaje de entrada.
+−=
2
)2(1
α
απ
π
sen
fp
(6)
El sistema es trifásico, por tanto existe un convertidor de CA-
CA en cada fase, que se supone se conmutan con el mismo
ángulo de referencia, las expresiones de las potencias totales y
factor de potencia son:
Figura 4. Esquema de simulación del recticador trifásico con interruptor en serie con la carga lastre
Conmutación simétrica de un recticador trifásico al factor de potencia
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Los elementos del esquema son: fuente de voltaje sinusoidal
trifásica (VSIN3 alternador, 60 Hz, 190.53 V efectivo de lí-
nea); puente recticador trifásico a diodos (BD3); interruptor
(IS componente de conmutación como transistor bipolar de
potencia o IGBT); gatillo (G1 unidad de control, frecuencia
360 Hz, dos puntos de conmutación ángulo y ancho deseado),
su función es aplicar un pulso al interruptor según la forma de
conmutar con ángulo simétrico y con valor del ángulo de con-
mutación deseado; resistencia de carga (R carga lastre R=4.03
Ώ) y los marcadores de voltajes y corrientes (Va, Vb, Vc, VR,
ILa, ILb e ILc) que visualizan las formas de onda de voltajes
de fase, voltaje en carga y corrientes de línea.
Los diodos del puente conducen un máximo de 120° y conmu-
tan cada 60°, luego para la conmutación con ángulo de control
simétrico, se cierra IS un ángulo después del punto de con-
mutación natural y se abre IS el mismo antes del próximo
punto de conmutación natural, de esto se deduce que el rango
de regulación es:
0
6
π
α
≤≤
. La Figura 5 presenta las formas
de onda signicativas de voltaje y corriente del circuito rec-
ticador para un ángulo de 15°, para la fase a, tiene período
π
2=Τ
LI
y cuya expresión analítica se expresa por ec. (11).
( )
( )
( )
( )
+<<−
−<<++
+<<−
−<<+−
+<<−
−<<+−
+<<−
−<<++
+<<
=
6
2
6
11
0
6
11
2
3
6
5
32
2
3
2
3
0
2
3
6
7
6
5
32
6
7
6
5
0
6
5
26
32
22
0
266
32
66
0
)(
fe
fe
fe
fe
π
πθα
π
α
π
θα
ππ
θ
α
π
θα
π
α
π
θα
ππ
θ
α
π
θα
π
α
π
θα
ππ
θ
α
π
θα
π
α
π
θα
ππ
θ
α
π
θ
π
θ
sen
R
V
sen
R
V
sen
R
V
sen
R
V
i
L
(11)
La gura 5.(c) muestra que la corriente de entrada por fase del
convertidor posee simetría impar de media onda, lo que impli-
ca que:
0
0
=a
,
0=
n
a
para todo n par,
0=
n
b
.
Figura 5. Formas de ondas signicativas del recticador trifásico conmutado con ángulo simétrico. (a) Voltajes de
cada fase de la fuente, (b) Voltaje en la carga, (c) Corriente en la línea de fase A.
El coeciente
1
a
es nulo, el recticador trifásico para la forma
de conmutar analizada no consume ni genera potencia reacti-
va para ningún valor posible del ángulo de conmutación. El
coeciente
1
b
, indica la amplitud del primer armónico de co-
rriente de cada terminal de entrada del recticador en función
del ángulo de conmutación.
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( )
( )
IL
4
1
0
2
ef
6
8
()
23
8
()
6
2
L
IL
b i sen d
V
sen sen d
R
π
α
π
α
θ θθ
π
θ θθ
π
Τ
−
+
= =
Τ
+
∫
∫
(12)
−+−=
2
)2(
)2cos(
2
3
2
3
23
fe
1
α
αα
π
π
sen
R
V
b
(13)
Figura 6. Gráca de en función de alfa.
El valor efectivo de corriente de entrada ec. (14), para
0=
α
el valor efectivo de la componente fundamental de co-
rriente de entrada al convertidor alcanza su valor máximo:
3
3
ef
1
32
V
I
rms máx
R
π
π
= +



y para
6
π
α
=
se anula (mínimo).
−+−=
2
)2(
)2cos(
2
3
2
3
3
fe
1
α
αα
π
π
sen
R
V
I
rms
(14)
El ángulo de desplazamiento
1
φ
es nulo para cualquier valor
del ángulo de control, indicando que no existe defasaje entre el
voltaje de fase y el primer armónico de la corriente de entrada
al recticador, lo que corrobora que el recticador no consume
ni genera potencia reactiva. El factor de potencia de despla-
zamiento es 1 y el valor efectivo de la corriente de entrada al
recticador es:
[ ]
θ
π
θ
π
θθ
α
π
α
π
dsen
R
V
di
T
I
ef
T
L
LI
rms
LI
∫∫
−
+
+==
2
6
2
4
0
2
)
6
(
32
2
4
)(
4
(15)
−+−=
2
)2(
)2cos(
2
3
2
3
1
32
fe
α
α
α
π
π
sen
R
V
I
rms
(16)
Determinando la potencia activa total a la entrada del recti-
cador empleando la componente del armónico fundamental de
corriente de entrada en fase con el voltaje de fase.
2
3
1
fe3
b
VP
ent
=
(17)
−+−=
2
)2(
)2cos(
2
3
2
3
9
2
fe
3
α
αα
π
π
sen
R
V
P
ent
(18)
Para
0=
α
la potencia activa total es máxima
+=
2
3
3
9
2
fe
3
π
π
R
V
P
máxent
y para
6
π
α
=
es nula (mínimo). Si
se dene
R
V
P
2
fe
0
=
y se divide la ec. (18) por P
0
, se obtiene
la expresión de potencia activa total normalizada, la Figura 6
muestra un comportamiento aproximadamente lineal de ésta,
convirtiendo a este recticador con conmutación de ángulo
simétrico en un componente ideal del lazo de control de fre-
cuencia.
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mejorando en el control de frecuencia mini hidráulica
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Para
0=
α
, la potencia aparente total a la entrada del recti-
cador alcanza su valor máximo:
+=
2
3
3
1
63
2
fe
3
π
π
R
V
S
máxent
Para
6
π
α
=
,
la potencia aparente trifásica es nula (mínimo); con
una curva aproximadamente parabólica ec. (20).
rmsrmsent
IVS 3
3
=
(19)
−+−=
2
)2(
)2cos(
2
3
2
3
1
63
2
fe
3
α
αα
π
π
sen
R
V
S
ent
(20)
La potencia de distorsión trifásica ec. (21), para
0=
α
03
687.1 PT
ent
=
, es diferente de cero ya que la corrien-
te de entrada al recticador está distorsionada. Para
6
π
α
=
0
3
=
ent
T
,
2
3
2
33 ententent
PST −=
(21)
2
2
2
fe
3
2
)2(
)2cos(
2
3
2
9
9
+−−=
α
αα
π
π
sen
R
V
T
ent
(22)
La gura 7 muestra la potencia de distorsión total de entrada di-
vidida entre P
0
en función de alfa, en
12/
πα
=
12 alcanza su valor
máximo de 2.999 veces P
0
.
Figura 7. Gráca de
03
/ PT
ent
en función del ángulo de conmutación.
El factor de potencia para
0=
α
es fp=0.956, porque la corrien-
te de entrada al recticador para este ángulo está distorsiona-
da, tiene una curva aproximadamente parabólica ec. (24).
fp
−+−
−+−
==
2
)2(
)2cos(
2
3
2
3
1
63
2
)2(
)2cos(
2
3
2
3
9
2
fe
2
fe
3
3
α
αα
π
π
α
αα
π
π
sen
R
V
sen
R
V
S
P
fp
ent
ent
(23)
fp
−+−=
2
)2(
)2cos(
2
3
2
32
3
α
αα
π
π
sen
fp
(24)
La potencia reactiva total a la entrada del recticador ec. (25),
demuestra que el recticador bajo la forma de conmutar des-
crita no consume ni aporta energía reactiva a la red, conside-
rando una mejora respecto al actual, los convertidores CA-CA
que consumen reactivo contribuyen con este consumo de reac-
tivo a empeorar el factor de potencia a la salida del generador.
1
3 ef
30
2
ent
a
QV= =
(25)
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30
P
ara ilustrar las ventajas del recticador trifásico conmuta-
do con ángulo simétrico, frente al convertidor de CA-CA
actualmente empleado en el control de la frecuencia en una
μCH mediante carga balastro en un ejemplo, suponemos que
luego de tener un registro de mediciones de potencia, voltaje y
corriente efectiva en una μCH, conocemos la potencia activa
mínima demandada por usuarios Pumin = 3 kW; la potencia
activa máxima demandada por usuarios Pumax = 12 kW y en
cierto horario la potencia demandada por usuarios sea Pu=7.5
kW con un factor de potencia, fpu = 0.7 en atraso.
Como para el control de potencia a disipar en las cargas las-
tres se empleará el recticador trifásico conmutado con ángu-
lo simétrico se impone encontrar el valor de resistencia las-
tre, calculada a partir de la potencia activa máxima que debe
consumir el recticador trifásico Pbd3máx=Pumax-Pumin=
9 kW, evaluando la ecuación (18) para
0=
α
se tiene que
7.3
Lastre
R Ohm=
, la resistencia Ru=2.37 Ohm e inductancia
Lu=6.418 mH por fase (con carga Pu), potencia reactiva to-
tal consumida por usuarios Qu=7.65 kVAR y corriente efecti-
va en cada fase Iu=32.47 A. Si consumen Pu, el recticador
debe consumir una potencia activa Pbd3 = 4.5 kW, esto se
logra con
rad282.0=
α
, entonces las corrientes efectivas
ec.(16), Ibd3a=Ibd3b=Ibd3c= 20.27 A, potencia activa total
ec. (18) P
bd3=4.5006 kW, potencia reactiva total Qbd3=0
kVAR, potencia aparente total ec. (20) Sbd3=6.690 kVA, po-
tencia de distorsión total ec. (22): Tbd3=4.950 kVAD y factor
de potencia en entrada de recticador ec. (24) fpbd3=0.6727,
en los terminales del generador para estas cargas, la potencia
activa total (Pl=12.00 kW), potencia reactiva total (Ql=7.65
kVAR), potencia aparente total (Sl=15.070 kVA), potencia
de distorsión total (Tl=4.950 kVAD) y el factor de potencia
(fpl=0.7966).
La Figura 8 muestra el esquema para simulación en Psim,
compuesto por fuente de voltaje sinusoidal VSIN3(alterna-
dor); RLusuarios (carga usuarios); recticador trifásico pro-
puesto constituido por bd3, is y g1; Rlastre (carga balastro);
amperímetros de corriente alterna (ILa, ILb, ILc, ILua, ILub,
ILuc, IaBD3, IbBD3 e IcBD3 miden valores efectivos en cada
fase de corriente en los terminales del generador, en la car-
ga y en el recticador propuesto) y los watt metros, var me-
tros y medidores de potencia aparente y factor de potencia
(W3L, VAR3L, VAPF3L,W3u, VAR3u, VAPF3u, W3BD3,
VAR3BD3 y VAPF3BD3 miden las potencias totales y factor
de potencia a la salida del alternador, en la carga y en la entra-
da del puente recticador).
RESULTADOS
Figura 8. Esquema de simulación con recticador trifásico.
El esquema de simulación que representa al sistema empleado
actualmente se diferencia del de la Figura 8, en que sustitu-
ye al recticador trifásico por tres convertidores de CA-CA
cada uno conectado entre una fase, el neutro del generador y el
nombre de las variables nalizan con CACA.
En el esquema actual las tres resistencias lastres R
lastre1
=
R
lastre2
= R
lastre3
= 4.03 Ohm, una por cada convertidor CA-
CA para que consuman 1.5 kW, deben ser conmutados con
90°, resultando que corriente efectiva de entrada por converti-
dor ec. (1), I
CACA
= 19.30 A, potencia activa por fase, ec. (2),
P
fCACA
= 1.5 kW, total: P
CACA
= 4.5 kW, potencia reactiva
por fase, ec. (3), Q
fCACA
= 0.955 kVAR, total: Q
CACA
= 2.864
kVAR, potencia aparente por fase, ec.(4), S
fCACA
= 2.123 kVA,
total: S
CACA
= 6.369 kVA; potencia de distorsión por fase, ec.
(5), T
fCACA
=1.157 kVAD, total: T
CACA
=3.470 kVAD y factor
de potencia ec. (6), fp
CACA
=0.7071.
Conmutación simétrica de un recticador trifásico al factor de potencia
mejorando en el control de frecuencia mini hidráulica
Investigación y Desarrollo • Volumen 9 • 2015 • Julio - Diciembre • Nº 1 • ISSN: 1390-5546
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A la salida del generador (VSIN3), la potencia activa P
G
=12.00 kW, la potencia reactiva Q
G
=10.514 kVAR, potencia
aparente Q
G
=10.514 kVAR, potencia de distorsión T
G
=4.950
kVAD y factor de potencia fp
G
=0.735.
La Tabla 1 muestra resultados de la simulación de ambos es-
quemas, hay excelente correspondencia entre los valores cal-
culados y simulados, en la simulación la potencia reactiva para
el esquema con el recticador puede considerarse nula debido
a su pequeña magnitud, esto constituye la diferencia funda-
mental entre el esquema que emplea el recticador trifásico
conmutado con ángulo simétrico y el esquema actual con con-
vertidores de CA-CA.
La potencia reactiva total consumida por los tres convertidores
CA-CA para el ángulo de control en cada convertidor de 90°
representa un 37.4 % del reactivo total consumido por usuarios
y 27.23 % de la potencia reactiva total a la salida del generador.
La Tabla 1 muestra el factor de potencia en los terminales de
la fuente que representa al alternador; (VAPF3L, fp); para el
esquema con recticador trifásico conmutado con ángulo si-
métrico, es mayor que en el esquema con convertidores CA-
CA, se debe a que él primero no consume energía reactiva, lo
que se traduce en la disminución de la corriente efectiva en
cada fase del alternador en aproximadamente cuatro amperes;
e (ILa, ILb, ILc), aumenta la disponibilidad del alternador en
lo referente a la entrega de potencia activa, resultado que vali-
da al circuito y la forma de conmutar propuesta.
El factor de potencia en los terminales de entrada del rectica-
dor trifásico, según los cálculos realizados y valores de Tabla
1, es ligeramente menor que cuando se emplea convertidores
de CA-CA, a pesar de esto con el recticador se mejora el
factor de potencia de la red.
El factor de potencia en los terminales del generador del es-
quema emplea los convertidores CA-CA es mayor que en los
convertidores y en la carga de los usuarios por separados, esto
se debe a que la potencia activa consumida por usuarios y por
convertidores es mayor que la potencia reactiva total y la dis-
torsión introducida convertidores.
CONCLUSIONES
E
l recticador trifásico tipo puente con interruptor en serie
con carga lastre conmutado con ángulo simétrico mejora
el factor de potencia del sistema eléctrico de la μCH, lo que
constituye una mejora con respecto al circuito actual, conver-
tidor de CA-CA.
Con el recticador trifásico se logra un aumento de la dispo-
nibilidad del generador eléctrico de la μCH, con respecto al
esquema actual.
Las expresiones matemáticas de los índices de rendimiento y
energético en función del ángulo de conmutación del recti-
cador trifásico tipo puente con interruptor en serie con carga
resistiva conmutado y ángulo simétrico, demuestran que con
esta conmutación no se aporta ni se consume energía reactiva.
Los convertidores de CA-CA siempre consumen potencia re-
activa excepto cuando el ángulo de disparo de los tiristores es
0° o 180°.
La potencia de distorsión es nula para un ángulo de disparo de
0° en el convertidor de CA-CA, mientras que para el rectica-
dor es aproximadamente 1.7 veces la potencia activa máxima
para el ángulo de conmutación de 0°.
Lorenzo Enríquez - García, Henry Bory, Carmen Mantilla, Carlos Miranda
Investigación y Desarrollo • Volumen 9 • 2015 • Julio - Diciembre • Nº 1 • ISSN: 1390-5546
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Abreu. (2006). Construcción de un regulador de frecuencia para una mini hidroeléctrica. Universidad de Oriente, Cuba.
Ashish Kumar. (2015). Energy Statistics. Recuperado 9 de junio de 2016, a partir de http://mospi.nic.in/Mospi_New/upload/Energy_stats_2015_
26mar15.pdf
Bory et. (2006). Análisis de diferentes formas de control del puente recticador monofásico. Presentado en Conferencia InternacionalFIE´06.
Bory et. (2008). Análisis de diferentes formas de control del semiconvertidor monofásico. Presentado en Conferencia InternacionalFIE´08,
Cuba.
Bory P. (2011). Metodología para el mejoramiento del factor de potencia en Pequeñas Centrales Hidroeléctricas en régimen autónomo y que
emplean convertidores de CA en CA para la regulación de frecuencia. Universidad de Oriente Sede Mella, Cuba.
Dihn S. (2010). Controlador de frecuencia para las micros y mini centrales hidroeléctricas de operación aislada. Universidad de Oriente Sede
Mella, Cuba.
PennWell Corporation, (2009). Hydropower is centerpiece of Ecuador energy plan. Hydro Industry FAQS and Recurses. Recuperado de http://
www.hydroworld.com/articles/2009/10/hydropower-is-centerpiece.html
Fong. (2008). Regulador de frecuencia por carga lastre basado en microcontrolador para micro y mini centrales hidroeléctricas en operación
aislada. Presentado en Conferencia InternacionalFIE´08, Cuba.
García J A, y Domínguez H. (2004). Perspectivas de la automatización de las centrales hidroeléctricas en Cuba. Universidad de Oriente, Cuba.
Hechavarria M, y Bell O. (2008). Control de frecuencia en centrales minihidroeléctricas aisladas. Universidad de Oriente, Cuba.
Kurts V, y Botero F. (2014). Una alternativa para el control de cargas balasto que Regulan frecuencia y tensión en PCH de operación aislada.
Recuperado 9 de junio de 2016, a partir de https://www.google.com/search?q=KURTS+V,+BOTERO+F+Una+alternativa+para+el+con-
trol+de+cargas+balasto+que+Regulan+frecuencia+y+tensi%C3%B3n+en+PCH+de+operaci%C3%B3n++aislada.+&ie=utf-8&oe=u-
tf-8&client=refox-b&gfe_rd=cr&ei=1wFaV9mxNqLI8Af5uYqABA
Kurtz V, & Anocibar H. (2007a). Alternativa para el control de cargas balastros. Hidrored, Universidad Nacional de Misiones, Argentina, 2007,
3-10.
Kurtz V, & Anocibar H. (2007b). Sistema mixto para control de la generación en microcentrales hidroeléctricas. Hidrored, Universidad Nacio-
nal de Misiones, Argentina, 2007, 24-30.
Mare J, & Odello L. (2001). Reguladores de frecuencia inteligente para microcentrales hidráulicas. Recuperado 9 de junio de 2016, a partir de
https://www.google.com.ec/webhp?ie=utf-8&oe=utf-8&client=refox-b&gfe_rd=cr&ei=t-1ZV8uGCunE8gejg62AAQ&gws_rd=cr#q=-
Mare+J%2C+Odello+L+(2001)+Reguladores+de+frecuencia+inteligente+para+microcentrales+hidr%C3%A1ulicas.+Universidad+Na-
cional+de+COMAHUE%2C+Argentina.
Mendoza P A. (2006). Control electrónico de una central Micro-hidráulica para su aplicación en generación distribuida. Recuperado 9 de junio
de 2016, a partir de http://www.centroenergia.cl/literatura/memorias_tesis/memoria_Patricio_Mendoza.pdf
Peña L, Dominguez H, & Fong J. (2013). Regulación de frecuencia de una Minihidroeléctrica por carga secunadaria utilizando un pc embebido
de uso industrial. Recuperado 10 de junio de 2016, a partir de http://www.aedie.org/9CHLIE-paper-send/291-PE%D1A.pdf
Suárez T. (2010). Desarrollo de un sistema de regulación de frecuencia para una microcentral hidroeléctrica de operación aislada. Universidad
de Oriente.
Vasquez H, Pinedo C, Palacios J, & Ramirez J. (2014). Regulacion de frecuencia en microcentrales. Recuperado 10 de junio de 2016, a partir
de http://bibliotecadigital.univalle.edu.co/bitstream/10893/1216/1/Regulacion%20de%20frecuencia%20en%20microcentrales.pdf