CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-DC CON TIRISTORES DE POTENCIA

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1 CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-DC CON TIRISTORES DE POTENCIA Introducción En el capitulo dos se estudiaron los circuitos rectificadores con diodos. Tienen el inconveniente de que el voltaje DC que entregan es fijo. Para obtener voltajes DC variables, a partir de alimentaciones AC, se reemplazan los diodos por los tiristores SCR, controlándose el ángulo de disparo. Esta solución tiene aplicaciones industriales, en procesos electroquímicos, control de iluminación de bombillas y control de velocidad de motores DC. A estos circuitos rectificadores con SCR se les denomina también convertidores AC-DC. Se clasifican en convertidores monofásicos y trifásicos. CONVERTIDOR MONOFÁSICO AC-DC DE MEDIA ONDA Consiste en el circuito de un rectificador monofásico de media onda, en donde el diodo rectificador se ha reemplazado por un tiristor. La figura 68, muestra el circuito, el primer cuadrante, es decir voltaje DC y corriente DC en la carga positivos y las formas de onda respectivas. Obsérvese cómo durante el semiciclo positivo de Vs, el tiristor se encuentra polarizado directamente, pero no conduce hasta que al terminal de puerta se le aplique un pulso o disparo de tensión en ωt α. A partir de ese momento, la tensión Vs queda aplicada a la carga R el resto del semiciclo positivo hasta que ωt π. A partir de ese momento se inicia el semiciclo negativo, quedando el tiristor polarizado inversamente, apagándose o dejando de conducir de forma natural, ya que además la corriente del mismo, io, ha llegado a cero y ha quedado por debajo de la corriente de mantenimiento. El SCR queda apagado desde ωt π hasta ωt. 1

2 Figura 68. Convertidor monofásico AC-DC media onda, carga resistiva El valor promedio o DC sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de Vo, de la siguiente manera: V DC α π Vm sen ωt dωt Vm (1 + cos α)/(); (ECUACION 29) La ecuación 29, muestra como VDC, depende del ángulo de disparo α. Cuando α0, VDC, es máximo y equivale a Vm/π, el mismo valor del rectificador de media onda con diodo. Cuando απ, VDC, es mínimo y equivale a cero. El valor eficaz o RMS sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de Vo, de la siguiente manera: V RMS [ (Vm sen ωt) 2 dωt Vm/2 1/π(π - α + (sen 2α)/2) ; ] 1/2 [ ] 1/2 α π (ECUACION 30) La ecuación 30, muestra como VRMS, depende del ángulo de disparo α. Cuando α0, VRMS, es máximo y equivale a Vm/2, el mismo valor del rectificador de media onda con diodo. Cuando απ, VDC, es mínimo y equivale a cero. Los parámetros de selección del tiristor empleado como rectificador (no como switch) son los siguientes: ITAV: Corriente directa media, que equivale a la máxima corriente promedio rectificada. En este caso el valor de este parámetro de selección se calcula para la condición mas critica (α0) y por lo tanto vale Vm/(πR). ITRMS: Corriente directa eficaz, que equivale a la máxima corriente eficaz rectificada. En este caso el valor de este parámetro de selección se calcula para la condición mas critica (α0) y por lo tanto vale Vm/(2R). VRWM: Tensión inversa de pico de trabajo, que equivale a la máxima tensión de polarización inversa que soporta el tiristor antes de entrar en avalancha. En este caso equivale a Vm, según se puede deducir de la figura 68 para la onda VT1. dv/dt: Máximo cambio brusco de polarización inversa a directa. Se asume el intervalo de tiempo de la conmutación como de un microsegundo. El caso critico se presenta cuando απ/2 y equivale a Vm/1μs, según se deduce de la figura 68 para la onda VT1. 2

3 CONVERTIDOR MONOFÁSICO AC-DC DE ONDA COMPLETA Consiste en el circuito de un rectificador monofásico de onda completa, en donde los diodos rectificadores se han reemplazado por tiristores y la carga se asume altamente inductiva, de tal manera que la corriente por la carga es continua y libre de componentes armónicas, ya que la carga se comporta como un filtro pasabajas. La figura 69, muestra el circuito, los cuadrantes de operación, en donde existen dos posibilidades de polaridad de la carga en cuanto al voltaje DC (positivo o negativo), mientras que la corriente DC en la carga es siempre positiva. También se muestran las formas de onda respectivas. Figura 69. Convertidor monofásico AC-DC onda completa, carga inductiva Durante el semiciclo positivo los tiristores 1 y 2 se encuentran polarizados directamente y se disparan simultáneamente cuando ωt α. A partir de ese 3

4 momento, la tensión Vs queda aplicada a la carga el resto del semiciclo positivo. Ahora bien, como la carga es inductiva, los tiristores 1 y 2 seguirán conduciendo durante un intervalo del semiciclo negativo ya que la corriente atrasa a la tensión, hasta cuando ωt π + α. En ese momento se disparan al mismo tiempo los tiristores 3 y4 que se encuentran polarizados directamente y se apagan los tiristores 1y2 de forma automática, pues ya se encontraban polarizados inversamente. Durante el intervalo ωt α hasta ωt π, el voltaje de entrada Vs y la corriente de entrada is son positivos y por lo tanto la potencia fluye de la red de alimentación a la carga. En este caso el convertidor funciona en modo de rectificación. Durante el intervalo ωt π hasta ωt π + α, el voltaje de entrada Vs es negativo y la corriente de entrada is es positiva y por lo tanto la potencia fluye desde la carga a la red de alimentación, es decir de forma inversa. En este caso el convertidor funciona en modo de inversión. Este tipo de convertidor se emplea mucho en la industria hasta potencias de unos 12 KW. El valor promedio o DC sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de Vo, de la siguiente manera: V DC π α π+α Vm sen ωt dωt (2Vm cos α)/π; (ECUACION 31) La ecuación 31, muestra como VDC, depende del ángulo de disparo α. Cuando α0, VDC, es máximo y equivale a 2Vm/π, el mismo valor del rectificador de media onda con diodo. Cuando απ, VDC, es mínimo y equivale a - 2Vm/π. El análisis anterior demuestra que en este caso el convertidor opera en los dos cuadrantes, tal como se muestra en la figura 69. El valor eficaz o RMS sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de Vo, de la siguiente manera: V RMS [ π+α π ] 1/2 α (Vm sen ωt) 2 dωt Vm/ 2 Vs ; (ECUACION 32) La corriente DC por la carga es: IDC Ia VDC/R, ya que la inductancia en DC se comporta como un cortocircuito. La corriente DC por tiristor es: 4

5 I TAV α π+α Ia dωt Ia/2; (ECUACION 33) La corriente RMS por la carga es: IRMS VRMS/R, ya que la inductancia en DC se comporta como un cortocircuito. La corriente RMS por tiristor es: α π+α Ia 2 dωt Ia/ 2; I TRMS [ ] 1/2 (ECUACION 34) CONVERTIDOR TRIFÁSICO AC-DC DE MEDIA ONDA Los convertidores trifásicos son ampliamente utilizados en propulsores de motores DC de velocidad variable. En el caso del convertidor AC-DC de media onda se construye reemplazando los diodos rectificadores del rectificador trifásico de media onda por tiristores. La figura 70, muestra el circuito, los voltajes de fase del sistema trifásico y las corrientes de disparo de puerta de cada tiristor. Se analizará el circuito para una carga altamente inductiva, como en el caso anterior. Figura 70. Convertidor trifásico AC-DC media onda, carga inductiva La figura 70, muestra la referencia de los disparos de cada tiristor. Por ejemplo en el caso del tiristor 1, el ángulo de disparo se presenta en ωt π/6 + α, para el tiristor 2, el ángulo de disparo se presenta en ωt 5π/6 + α y para el tiristor 3, se presenta en ωt 9π/6 + α. 5

6 La figura 71, muestra cómo se inicia la conducción del tiristor 1 a partir de ωt π/6 + α y como se apaga en ωt 5π/6 + α, aplicando a la carga la tensión de fase R. Por lo tanto el tiristor conduce durante 4π/6 radianes equivalente a 120. Figura 71. Convertidor trifásico AC-DC media onda, conducción del tiristor 1 La figura 72, muestra cómo se inicia la conducción del tiristor 2 a partir de ωt 5π/6 + α y como se apaga en ωt 9π/6 + α, aplicando a la carga la tensión de fase S. Por lo tanto el tiristor conduce durante 4π/6 radianes equivalente a 120. Figura 72. Convertidor trifásico AC-DC media onda, conducción del tiristor 2 La figura 73, muestra cómo se inicia la conducción del tiristor 3 a partir de ωt 9π/6 + α y cómo se apaga en ωt 13π/6 + α, aplicando a la carga la tensión de fase T. Por lo tanto el tiristor conduce durante 4π/6 radianes equivalente a

7 Figura 73. Convertidor trifásico AC-DC media onda, conducción del tiristor 3 Finalmente, la figura 74, muestra la forma de onda del voltaje en la carga. Figura 74. Convertidor trifásico AC-DC media onda, voltaje en la carga El valor promedio o DC sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de Vo, cuya frecuencia fundamental es tres veces la de la red de la siguiente manera: V DC /3 5π/6+α Vm sen ωt dωt (3 3 Vm cos α)/(); (ECUACION 35) La ecuación 35, muestra como VDC, depende del ángulo de disparo α. Cuando α0, VDC, es máximo positivo y equivale a 3 3 Vm/, el mismo valor del 7

8 rectificador trifásico de media onda con diodos. Cuando απ/2, VDC, es cero. Cuando απ, VDC, es máximo negativo y equivale a -3 3 Vm/. El análisis anterior demuestra que en este caso el convertidor opera en los dos cuadrantes. El valor eficaz o RMS sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de Vo, de la siguiente manera: V RMS [ ] 1/2 /3 5π/6+α (Vm sen ωt) 2 dωt 3 Vm (1/6 + 3 cos α/(8π)) 1/2 ; (ECUACION 36) La corriente DC por la carga es: IDC Ia VDC/R, ya que la inductancia en DC se comporta como un cortocircuito. La corriente DC por tiristor es: I TAV 5π/6+α Ia dωt Ia/3; (ECUACION 37) La corriente RMS por la carga es: IRMS VRMS/R, ya que la inductancia en DC se comporta como un cortocircuito. La corriente RMS por tiristor es: I TRMS [ ] 5π/6+α 1/2 Ia 2 dωt Ia/ 3; (ECUACION 38) CONVERTIDOR TRIFÁSICO AC-DC DE ONDA COMPLETA Estos convertidores se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales de hasta 200 KW, en las que se requiera operación en dos cuadrantes. En el caso del convertidor AC-DC de onda completa se construye reemplazando los seis diodos rectificadores del rectificador trifásico de media onda por tiristores. La figura 75, 8

9 muestra el circuito de este convertidor. Se analizará el circuito para una carga altamente inductiva, como en el caso anterior. Figura 75. Convertidor trifásico AC-DC onda completa, carga inductiva La figura 76, muestra las formas de onda de este convertidor bajo estudio. Las ondas se dibujaron asumiendo que α π/3. Los tiristores se disparan en el momento en que se presentan cruces en los voltajes de fase, que para el caso de Vcn y Van se presenta en ωt π/6. A partir de ese momento se inicia la temporización de retardo del ángulo de disparo α, para disparar el tiristor 1 en ωt π/6 + α, conectando la fase R (a) al terminal positivo de la carga hasta ωt 3π/6 + α,. En este intervalo el tiristor 6 esta en conducción y conecta la fase S (b) al terminal negativo de la carga, para quedar esta con una diferencia de potencial VRS (Vab) equivalente a un voltaje de línea. A partir de ωt 3π/6 + α, el tiristor 1 continúa en conducción y entra ahora a conducir el tiristor 2, quedando la carga con el voltaje de línea VRT (Vac) hasta cuando ωt 5π/6 + α. Lo anterior significa que cada tiristor conduce durante 4π/6 es decir 120. Si los tiristores se numeran en el orden de la figura 76, la secuencia de disparos es: 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6 y

10 Figura 76. Convertidor trifásico AC-DC onda completa, formas de onda 10

11 El valor promedio o DC sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de Vo (frecuencia fundamental es seis veces la de la red), tomando a VRS, de la siguiente manera: V DC π/3 π/2+α 3 Vm sen (ωt + π/6) dωt (3 3 Vm cos α)/π; (ECUACION 39) La ecuación 39, muestra como VDC, depende del ángulo de disparo α. Cuando α0, VDC, es máximo positivo y equivale a 3 3 Vm/π, el mismo valor del rectificador trifásico de onda completa con diodos. Cuando απ/2, VDC, es cero. Cuando απ, VDC, es máximo negativo y equivale a -3 3 Vm/π. El análisis anterior demuestra que en este caso el convertidor opera en los dos cuadrantes, tal como lo muestra la figura 77. Figura 77. Convertidor trifásico AC-DC onda completa, variación tensión de salida El valor eficaz o RMS sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de Vo, de la siguiente manera: V RMS π/3 [ ] 1/2 π/2+α ( 3 Vm sen (ωt + π/6)) 2 dωt 3 Vm (1/2 + (3 3 cos2α)/4π)) 1/2 ; (ECUACION 40) 11

12 La corriente DC por la carga es: IDC Ia VDC/R, ya que la inductancia en DC se comporta como un cortocircuito. La corriente DC por tiristor es: I TAV 5π/6+α Ia dωt Ia/3; (ECUACION 41) La corriente RMS por la carga es: IRMS VRMS/R, ya que la inductancia en DC se comporta como un cortocircuito. La corriente RMS por tiristor es: I TRMS [ ] 5π/6+α 1/2 Ia 2 dωt Ia/ 3; (ECUACION 42) 12

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