¿Cómo funcionan los reguladores de voltaje para el aire acondicionado y el refrigerador?

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Reguladores

Un regulador de voltaje es un estabilizador de voltaje diseñado para estabilizar automáticamente un nivel de voltaje constante. Un circuito regulador de voltaje también se usa para cambiar o estabilizar el nivel de voltaje de acuerdo con la necesidad del circuito. Por lo tanto, un regulador de voltaje se utiliza por dos razones:

1. Para regular o variar el voltaje de salida del circuito.
2. Para mantener constante la tensión de salida en el valor deseado a pesar de las variaciones en la tensión de alimentación o en la corriente de carga.

Los reguladores de voltaje encuentran sus aplicaciones en computadoras, alternadores, plantas generadoras de energía donde el circuito se usa para controlar la salida de la planta. Los reguladores de voltaje pueden clasificarse como electromecánicos o electrónicos. También se puede clasificar como reguladores de CA o reguladores de CC.

Reguladores electromecánicos

En los reguladores electromecánicos, la regulación del voltaje se logra fácilmente enrollando el cable de detección para formar un electroimán. El campo magnético producido por la corriente atrae un núcleo ferroso en movimiento retenido bajo tensión de resorte o tracción gravitacional. A medida que aumenta el voltaje, también lo hace la corriente, fortaleciendo el campo magnético producido por la bobina y tirando del núcleo hacia el campo. El imán está físicamente conectado a un interruptor mecánico, que se abre cuando el imán se mueve hacia el campo. A medida que el voltaje disminuye, también lo hace la corriente, liberando la tensión del resorte o el peso del núcleo y haciendo que se retraiga. Esto cierra el interruptor y permite que la energía fluya una vez más.

Si el diseño del regulador mecánico es sensible a pequeñas fluctuaciones de voltaje, el movimiento del núcleo del solenoide se puede usar para mover un interruptor selector a través de un rango de resistencias o devanados del transformador para aumentar gradualmente el voltaje de salida hacia arriba o hacia abajo, o para rotar la posición de Un regulador de CA de bobina móvil.

Los primeros generadores y alternadores de automóviles tenían un regulador de voltaje mecánico que usaba uno, dos o tres relés y varios resistores para estabilizar la salida del generador a un poco más de 6 o 12 V, independientemente de las rpm del motor o la carga variable en el sistema eléctrico del vehículo. Esencialmente, el (los) relé (s) emplearon la modulación de ancho de pulso para regular la salida del generador, controlando la corriente de campo que llega al generador (o alternador) y de esta manera controlando el voltaje de salida que se produce en el generador e intentando ejecutarlo como un motor. Los diodos rectificadores en un alternador realizan automáticamente esta función para que no se requiera un relé específico; Esto simplificó apreciablemente el diseño del regulador.

Los diseños más modernos ahora usan tecnología de estado sólido (transistores) para realizar la misma función que los relés en los reguladores electromecánicos.

Regulador de voltaje automático

Para controlar la salida de los generadores se utilizan reguladores automáticos de voltaje. Este es un sistema activo. Si bien el principio básico es el mismo, el sistema en sí es más complejo. Un regulador de voltaje automático (o AVR para abreviar) consta de varios componentes como diodos, condensadores, resistencias y potenciómetros o incluso microcontroladores, todos colocados en una placa de circuito. Luego se monta cerca del generador y se conecta con varios cables para medir y ajustar el generador.

Cómo funciona un AVR: en primer lugar, el AVR monitorea el voltaje de salida y controla el voltaje de entrada para el excitador del generador. Al aumentar o disminuir el voltaje de control del generador, el voltaje de salida del generador aumenta o disminuye en consecuencia. El AVR calcula la cantidad de voltaje que debe enviarse al excitador varias veces por segundo, por lo tanto, estabiliza el voltaje de salida a un punto de ajuste predeterminado. Cuando dos o más generadores están alimentando el mismo sistema (operación en paralelo), el AVR recibe información de más generadores para que coincida con toda la salida.

Estabilizadores de voltaje de CA

Regulador de voltaje de CA de rotación de bobina

Principio de diseño básico y diagrama de circuito para el regulador de voltaje de CA de bobina giratoria.

Este es un tipo de regulador más antiguo utilizado en la década de 1920 que utiliza el principio de una bobina de campo de posición fija y una segunda bobina de campo que se puede girar en un eje en paralelo con la bobina fija, similar a un varioacoplador.

Cuando la bobina móvil se coloca perpendicular a la bobina fija, las fuerzas magnéticas que actúan sobre la bobina móvil se equilibran entre sí y la salida de voltaje no cambia. Girar la bobina en una dirección u otra lejos de la posición central aumentará o disminuirá el voltaje en la bobina móvil secundaria.

Este tipo de regulador puede automatizarse a través de un mecanismo de servocontrol para avanzar la posición de la bobina móvil con el fin de aumentar o disminuir el voltaje. Se utiliza un mecanismo de frenado o engranaje de alta relación para mantener la bobina giratoria en su lugar contra las poderosas fuerzas magnéticas que actúan sobre la bobina móvil.

Electromecánico

Los reguladores electromecánicos llamados estabilizadores de voltaje o cambiadores de tomas , también se han utilizado para regular el voltaje en las líneas de distribución de energía de CA. Estos reguladores funcionan mediante el uso de un servomecanismo para seleccionar la derivación apropiada en un autotransformador con múltiples derivaciones, o moviendo el limpiador en un autotransfomer continuamente variable. Si el voltaje de salida no está en el rango aceptable, el servomecanismo cambia el grifo, cambiando la relación de espiras del transformador, para mover el voltaje secundario a la región aceptable. Los controles proporcionan una banda muerta en la que el controlador no actuará, evitando que el controlador ajuste constantemente el voltaje (“búsqueda”) ya que varía en una cantidad aceptablemente pequeña.

Regulador de voltaje estático PWM

Esta es la última tecnología de regulación de voltaje para proporcionar control en tiempo real de la fluctuación de voltaje, caída, sobretensión y también para controlar otros problemas de calidad de energía, como picos y ruidos eléctricos EMI / RFI. Esto utiliza un motor regulador IGBT que genera voltaje de CA modulado por ancho de pulso (PWM) a alta frecuencia de conmutación. Esta onda AC PWM se superpone a la onda entrante principal a través de un transformador de refuerzo, para proporcionar voltaje de CA regulado con precisión. La regulación en esta tecnología es instantánea, por lo que es adecuada para máquinas electrónicas que necesitan potencia regulada precisa.

Transformador de voltaje constante

El transformador ferroresonante , el regulador ferroresonante o el transformador de voltaje constante es un tipo de transformador de saturación utilizado como regulador de voltaje. Estos transformadores utilizan un circuito de tanque compuesto por un devanado resonante de alto voltaje y un condensador para producir un voltaje de salida promedio casi constante con una corriente de entrada o carga variable. El circuito tiene un primario en un lado de una derivación magnética y la bobina del circuito sintonizado y secundario en el otro lado. La regulación se debe a la saturación magnética en la sección alrededor del secundario.

El enfoque ferroresonante es atractivo debido a su falta de componentes activos, ya que depende de las características de saturación del circuito cuadrado del circuito del tanque para absorber las variaciones en el voltaje de entrada promedio. Los transformadores de saturación proporcionan un método simple y resistente para estabilizar una fuente de alimentación de CA.

Los diseños más antiguos de transformadores ferroresonantes tenían una salida con alto contenido armónico, lo que conducía a una forma de onda de salida distorsionada. Los dispositivos modernos se utilizan para construir una onda sinusoidal perfecta. La acción ferroresonante es un limitador de flujo en lugar de un regulador de voltaje, pero con una frecuencia de suministro fija puede mantener un voltaje de salida promedio casi constante incluso cuando el voltaje de entrada varía ampliamente.

Los transformadores ferroresonantes, también conocidos como transformadores de voltaje constante (CVT) o ferros, también son buenos supresores de sobretensión, ya que proporcionan un alto aislamiento y una protección inherente contra cortocircuitos.

Un transformador ferroresonante puede funcionar con un rango de voltaje de entrada ± 40% o más del voltaje nominal.

El factor de potencia de salida permanece en el rango de 0.96 o superior desde la mitad hasta la carga completa.

Debido a que regenera una forma de onda de voltaje de salida, la distorsión de salida, que generalmente es inferior al 4%, es independiente de cualquier distorsión de voltaje de entrada, incluida la muesca.

La eficiencia a plena carga está típicamente en el rango de 89% a 93%. Sin embargo, con cargas bajas, la eficiencia puede caer por debajo del 60%. La capacidad de limitación de corriente también se convierte en una desventaja cuando se utiliza un CVT en una aplicación con corriente de entrada moderada a alta, como motores, transformadores o imanes. En este caso, el CVT debe ser dimensionado para acomodar la corriente máxima, lo que lo obliga a funcionar con cargas bajas y poca eficiencia.

Se requiere un mantenimiento mínimo, ya que los transformadores y condensadores pueden ser muy confiables. Algunas unidades han incluido condensadores redundantes para permitir que varios condensadores fallen entre inspecciones sin ningún efecto notable en el rendimiento del dispositivo.

El voltaje de salida varía aproximadamente 1.2% por cada cambio de 1% en la frecuencia de suministro. Por ejemplo, un cambio de 2 Hz en la frecuencia del generador, que es muy grande, da como resultado un cambio de voltaje de salida de solo 4%, lo que tiene poco efecto para la mayoría de las cargas.

Acepta el 100% de la carga de la fuente de alimentación conmutada monofásica sin ningún requisito de reducción, incluidos todos los componentes neutros.

La distorsión de la corriente de entrada sigue siendo inferior al 8% THD, incluso cuando se suministran cargas no lineales con más del 100% de THD actual.

Los inconvenientes de las CVT son su mayor tamaño, el zumbido audible y la alta generación de calor causada por la saturación.

Uso comercial

Los reguladores o estabilizadores de voltaje se utilizan para compensar las fluctuaciones de voltaje en la red eléctrica. Los grandes reguladores pueden instalarse permanentemente en las líneas de distribución. Se pueden conectar pequeños reguladores portátiles entre equipos sensibles y una toma de corriente. Los reguladores automáticos de voltaje se utilizan en grupos electrógenos en barcos, en suministros de energía de emergencia, en plataformas petroleras, etc. para estabilizar las fluctuaciones en la demanda de energía. Por ejemplo, cuando se enciende una máquina grande, la demanda de energía es repentinamente mucho mayor. El regulador de voltaje compensa el cambio de carga. Los reguladores de voltaje comerciales normalmente operan en un rango de voltajes, por ejemplo 150–240 V o 90–280 V. Los servoestabilizadores también se fabrican y usan ampliamente a pesar de que son obsoletos y usan tecnología obsoleta.

Los reguladores de voltaje se utilizan en dispositivos como aires acondicionados, refrigeradores, televisores, etc. para protegerlos de la fluctuación del voltaje de entrada. El principal problema enfrentado es el uso de relés en reguladores de voltaje. Los relés crean chispas que provocan fallas en el producto.

Refrigerador

Un refrigerador (coloquialmente refrigerador ) es un electrodoméstico popular que consiste en un compartimento aislado térmicamente y una bomba de calor (mecánica, electrónica o química) que transfiere el calor del interior del refrigerador a su entorno externo para que el interior del refrigerador esté enfriado a una temperatura inferior a la temperatura ambiente de la habitación. La refrigeración es una técnica esencial de almacenamiento de alimentos en los países desarrollados. La temperatura más baja reduce la tasa de reproducción de bacterias, por lo que el refrigerador reduce la tasa de deterioro. Un refrigerador mantiene una temperatura unos pocos grados por encima del punto de congelación del agua. El rango óptimo de temperatura para el almacenamiento de alimentos perecederos es de 3 a 5 ° C (37 a 41 ° F).

Un dispositivo similar que mantiene una temperatura por debajo del punto de congelación del agua se llama congelador . El refrigerador reemplazó la nevera, que había sido un electrodoméstico común durante casi un siglo y medio. Por esta razón, un refrigerador a veces se conoce como una nevera en el uso estadounidense.

Los primeros sistemas de enfriamiento para alimentos involucraron el uso de hielo. La refrigeración artificial comenzó a mediados de la década de 1750 y se desarrolló a principios de 1800. En 1834, se construyó el primer sistema de refrigeración por compresión de vapor en funcionamiento. La primera máquina comercial para hacer hielo se inventó en 1854. En 1913, se inventaron los refrigeradores para uso doméstico. En 1923, Frigidaire introdujo la primera unidad autónoma. La introducción del freón en la década de 1920 amplió el mercado de refrigeradores durante la década de 1930. Los congeladores domésticos como compartimentos separados (más grandes de lo necesario solo para cubitos de hielo) se introdujeron en 1940. Los alimentos congelados, que antes eran un artículo de lujo, se convirtieron en algo común.

Las unidades de congelación se utilizan en hogares y en la industria y el comercio. Las unidades comerciales de refrigerador y congelador estuvieron en uso durante casi 40 años antes de los modelos domésticos comunes. La mayoría de los hogares utilizan el estilo de congelador en la parte superior y refrigerador en la parte inferior, que ha sido el estilo básico desde la década de 1940. Se usa un ciclo de compresión de vapor en la mayoría de los refrigeradores, refrigeradores y congeladores domésticos. Los refrigeradores más nuevos pueden incluir descongelación automática, agua fría y hielo de un dispensador en la puerta.

Los refrigeradores y congeladores domésticos para el almacenamiento de alimentos se fabrican en una variedad de tamaños. Entre los más pequeños se encuentra un refrigerador Peltier de 4 L que se anuncia como capaz de contener 6 latas de cerveza. Un refrigerador doméstico grande tiene una altura de una persona y puede tener aproximadamente 1 m de ancho con una capacidad de 600 L. Los refrigeradores y congeladores pueden ser independientes o incorporados a la cocina. El refrigerador permite a la familia moderna mantener los alimentos frescos por más tiempo que antes. Los congeladores permiten a las personas comprar alimentos a granel y comerlos a su gusto, y las compras a granel ahorran dinero.

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