Debido a la invenciòn de los convertidores de potencia , surge la necesidad de diseñar y verificar el correcto funcionamiento de nuevos sistemas de alimentación, que sean capaces de modificar el factor de potencia y adaptarse a los estándares para el uso en la Industria. Este trabajo de investigaciòn se concentra en la elaboraciòn de un rectificador monofásico tipo “Buck”, el mismo tiene la capacidad de corregir el factor de potencia de ingreso, esto lo hace mostrando corrientes de alta calidad en la línea de alimentación

1. 1
Rectificador Monofàsico con Factor de potencia 1
Paùl Santiago Sañdaña Caldas
paul_ssc@hotmail.com • Un factor de potencia alto en comparacion con uno bajo
, para una misma potencia , origina una mayor demanda
Abstract—Debido a la invenciòn de los convertidores de po- de corriente, esto nos dice que debemos usar cables con
tencia , surge la necesidad de diseñar y verificar el correcto mayor secciòn.
funcionamiento de nuevos sistemas de alimentación, que sean
capaces de modificar el factor de potencia y adaptarse a los es- Debido a estos parametros establecidos podemos decir que
tándares para el uso en la Industria. Este trabajo de investigaciòn ambas concluciones llevan a un mayor costo de la instalación
se concentra en la elaboraciòn de un rectificador monofásico tipo alimentadora.Para las compañias electricas , esto resulta in-
“Buck”, el mismo tiene la capacidad de corregir el factor de apropiado, debido a que el gasto es mayor para un f.d.p.
potencia de ingreso, esto lo hace mostrando corrientes de alta bajo. Debido a esto las empresas suministradoras penalizan
calidad en la línea de alimentación .
la existencia de un f.d.p. bajo, en donde el consumidor debe
Index Terms—regulación de armónicas, valores RMS, patrón mejorar su instalacion alimentadora.
de disparo PWM, espectro armónico
Al corregir el del factor de potencia debemos incluir la
obtención de un minimo de distorcion armonica total para
I. I NTRODUCCIÒN las corrientes de entrada de alta calidad y un ángulo de
El factor de potencia es una medida de la cantidad de desfasamiento minimo entre el voltaje de entrada y la corriente
potencia la cual es capaz de transferir energía o trabajo en el fundamental .
circuito, en relación a la potencia total o aparente del mismo Is1
F.d.P = cos φ1
circuito. El factor de potencia se considera en "retraso" o Is
"inductivo" si la Q es positiva. Si la Q es negativa el factor Tenemos que:
de potencia se considera en "adelanto" o "capacitivo".
• φ1=> Defasamiento entre el voltaje de entrada y la
P fundamental de la corriente.
fp =
S • Is=> Corriente de entrada en RMS
A nivel industrial, comercial y residencial se busca que el • Is1=> Valor RMS de la corriente fundamental de entrada
factor de potencia sea lo más cercano a uno posible con la Podemos decir que, para que un rectificador obtenga la car-
finalidad de que la energía producida sea utilizada al máximo acteristica de poder corregir el factor de potencia, es de suma
en el proceso de realización de trabajo. importancia que muestre ambos factores con uh resultado
bastante silmilar a 1, por lo que tenemos:
II. A NALISIS DEL FACTOR DE POTENCIA • Un valor alto de calidad para la corriente de entrada
Is1
Para el analisis del factor de potencia , vamos a tomar en Is ≈ 1
cuenta 2 receptores con similar potencia, 2000 W, conectados • El valor del angulo de defasamiento φ1es minimo
a la misma linea de tensión que es 220 V, pero para el primero cos φ1 ≈ 1
el factor de potencia es de cos φ1 = 0.95 y y para el segundo Se conocen dos grandes sistemas de rectificadores cada uno
caso tenemos un factor de potencia menor de cos φ1 = 0.20. con sus respectivos diseños, estos pueden corregir el factor de
Primer caso con f.p=0.95 potencia, estas son:
P1 • La familia derivada de la topología BOOST
I1 = = 9.56 • La familia derivada de la topología BUCK.
U cos φ1
S1 = U I1 = 2.103kvA III. M ODULACIÓN POR A NCHO DE P ULSO (PWM)
La modulación por ancho de pulso (PWM, Pulse Width
Segundo caso con f.p=0.25
Modulation) proporciona un método para disminuir el factor
P1 de distorsión armónica (THD) en la corriente que suministra el
I2 = = 45.45
U cos φ1 inversor a la carga. La salida de un inversor con PWM con algo
de filtrado, cumple las regulaciones de distorsión armónica
S2 = U I2 = 9.9kvA total más fácilmente que un inversor con salida mediante ondas
cuadradas. Si bien la salida con PWM posee un contenido alto
Una vez obtenido los resultados podemos decir lo siguiente: de armónicas, estas son de frecuencias elevadas lo cual facilita
• Cuanto mas bajo sea el factor de potencia , la potencia su filtrado y atenuación por parte de la carga.
aparente us un poco mayor, por lo que requiere un diseño La modulación PWM controla la amplitud de la tensión de
para el generador que tenga mayor tamaño. salida utilizando diferentes formas de onda moduladoras o de

2. 2
referencia. Dos ventajas de esta modulación son la reducción
de los requerimientos de filtrado y el control de la amplitud de
la salida. Entre las desventajas podemos citar el incremento en
las pérdidas del dispositivo interruptor por el mayor número
de conmutaciones realizadas y una mayor complejidad de los
circuitos de control.
La modulación PWM puede ser realizada de dos forma:
• Bipolar:Cuando el inversor utiliza dos estados +VDC y
-VDC.
• Unipolar: Cuando el inversor utiliza tres estados +VDC,- Figure 4. Modulación PWM Bipolar
VDC y 0.
• En las siguientes figuras, se presentan los esquemas de
A. Indice de modulacion en frecuencia
modulación unipolar y bipolar para una onda sinusoidal
de referencia y una triangular de portadora. El índice de modulación de frecuencia mf se define como el
cociente entre la frecuencia de la portadora y de la referencia:
f portadora
mf =
f ref erencia
La señal de salida del PWM posee la misma frecuencia fun-
damental que la onda de referencia y armónicas en y alrededor
de los múltiplos del índice de modulación. La escogencia de
índices de modulación elevados facilita el filtrado de la onda
de salida, pero incrementa las perdidas en los dispositivos
electrónicos de potencia utilizados en la conmutación.
B. Índice de Modulación de Amplitud
Figure 1. Modulacion El índice de modulación de amplitud ma se define como
la relación entre la amplitud de la señal de referencia y la
portadora:
V picoref erencia
ma =
V picoportadora
Si ma ≤ 1,la amplitud de la componente fundamental de la
salida del PWM es linealmente proporcional a ma ,es decir:
√
Vrms1 = 2ma VDC
De esta forma se puede controlar la amplitud de la com-
ponente de frecuencia fundamental de la salida del PWM al
variar ma .Si ma . Si ma es mayor que uno , la amplitud de la
fundamental de salida se incrementa pero de forma no lineal.
Figure 2. Modulación PWM Unipolar
IV. RECTIFICADOR PWM MONOFÁSICO
Figure 5. Rectificador monofásico PWM puente completo en configuración
Figure 3. Modulación PWM Bipolar fuente de voltaje

3. 3
En la figura anterior se muestra el esquema de un rectifi-
cador monofásico. Partiendo de una modulación por ancho
de pulso de tres niveles y proponiendo las funciones de
conmutación sw1 y sw2 definidas de la siguiente manera:
Figure 9.
Figure 6. Notar que los interruptores Q2 y Q4 se deben conmutar
en los semiciclos positivo y negativo para poder proveer un
trayecto de liberación de energía a la carga en caso de tener
Cumpliéndose la siguiente tabla:
parte reactiva en la carga. Así, durante el semiciclo positivo
se activan Q1 de manera constante, y Q2 se activa según la
estrategia PWM para que en la carga aparezca el voltaje de
alimentación vs. Al desactivar Q2, se debe entonces activar Q4
para tener un trayecto de liberación de energía por medio de
Q1 y Q4. De manera similar, durante el semiciclo negativo se
activa Q3 permanentemente y al activarse ahora Q4 se tendrá
Figure 7. – vs en la carga. Al apagar Q4 se debe conmutar Q2 para
proveer un camino de liberación de energía.
En la técnica de conmutación PWM (Pulse Width Modula-
tion) la amplitud de la señal de salida se controla a través del
índice de modulación M:
Am
M=
Ap
donde Am y Ap representan las amplitudes de las señales
moduladora y portadora respectivamente. De esta manera, el
valor en CD del voltaje de salida se regula a través del control
del parámetro M. La estructura general del rectificador PWM
se muestra en la Figura anterior, donde se debe determinar
el patrón de conmutación para los elementos (Q1,Q2,Q3,Q4),
con el objeto de producir un voltaje de CD Vo a la salida del
puente rectificador a partir de un voltaje de alimentación vs
de CA.
Figure 10. Esquema de Conmutación PWM para M=0.8
Durante la simulación de la Figura anterior, la frecuencia de
la señal portadora está fijada a 2 kHz. El voltaje resultante de
salida Vo a la salida del puente para una carga resistiva de 27
ohmeos y vs=120 Vrms se muestran en la Figura 3 con M=0.8.
En la Figura 4 se aprecia como la potencia reactiva Q se hace
Figure 8. Circuito Base del Rectificador Monofásico cero (FP=1.0) en el convertidor aunque no se tenga el voltaje
máximo, ya que el voltaje y el armónico fundamental de la
En el esquema PWM, el patrón de conmutación se genera corriente de alimentación se encontrarían en fase. El voltaje
al comparar una señal triangular Vportadora (portadora) con promedio en la carga para este caso fue de 66 V. Ahora, en la
una señal sinusoidal rectificada (moduladora) Vmoduladora Figura 5 se muestra el voltaje de salida para M=1.2, donde de
tal y como se muestra en la Figura 3 (M=0.8). El orden de igual manera la potencia reactiva Q se cancela. En este caso
encendido se presenta como: el voltaje promedio de salida es de 92 V.

4. 4
alta y baja frecuencia y proporcionar al comparador un voltaje
de CD sin rim, con el objetivo de generar una comente de
referencia de forma senoidal rectificada lo más pura posible.
Una consecuencia natural para el establecimiento de la cor-
rección del factor de potencia en un sistema de rectificación
trifásico mediante el control por multiplicador es el empleo de
tres rectificadores monofásicos semejantes a los de la figura
anterior. conectados en paralelo. Sin embargo, sea deseable
también que pudieramos mantener la simplicidad del control
por seguidor en el caso del rectificador trifásico.
Figure 11. Voltaje de Salida bajo Carga Resistiva (M=0.8)
VI. C ONCLUSIONES
El diseño Buck muestra un magnífico desempeño en el
manejo de motores de C.D. A su vez se puede comentar la
gran simplicidad y bajo costo del circuito, lo que lo hace una
opción excelente para la operación de motores de C.D.
Para el diseño Buck el circuito interrumpe la alimentación
y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a un
simple filtro LC. La tensión aproximada es V out = V in ∗
ciclodetrabajo y la regulación se ejecuta mediante la simple
variación del ciclo de trabajo. En la mayoría de los casos esta
regulación es suficiente y sólo se deberá ajustar levemente
la relación de vueltas en el transformador para compensar las
Figure 12. Voltaje de Salida bajo Carga Resistiva (M=1.2)
pérdidas por acción resistiva, la caída en los diodos y la tensión
V. T OPOLOGIA B UCK de saturación de los transistores de conmutación
La segunda estrategia consiste mediante el empleo de una
VII. B IBLIOGRAFIA
topologia que sea capaz de corregir el factor de potencia de
manera natural, como lo es el convertidor Boost y la familia [1]http://www.cenidet.edu.mx/subaca/web-
convertidores basada en la topologia Buck-Boost que operan elec/tesis_mcMC_jrv.pdfs
en modo de conducción discontinuo ( MCD ). En la figura [2]http://www.depi.itchihuahua.edu.mx/electro/archivo/electro
siguiente se muestra el control en un convertidor que opera en [3]IEEE std 519-1981, “IEEE Guide for Harmonic Control
MCD el cual requiere de un solo lam de retroalimentación - and Reactive Compensation of Static Power Converters” .
el lazo de tensión - y es conocido como control por seguidor [4]Muhamad H. Rashid, “Spice for Power Electronics and
de tensión. Electric Power”, Prentice Hall, 1993
[5]E.H. Ismail, R.W. Erickson, “Single-Switch 3f PWM
Low Harmonic Rectifiers”, IEEE Trans. On Power Electronics,
vol. 11, no. 2, March 1996.
Figure 13. Control por Multiplicador
Figure 14. Control por Seguidor de Tensión
Debemos observar en el lazo de voltaje la presencia de un
filtro pasabajos, con la finalidad de eliminar componentes de