TEMA: 2 CONVERTIDORES CA/CC.

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1 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.1 A-PDF Split DEO : Purchase from to remove the watermark TEA: CONERTDORES CA/CC. ÍNDCE:.1 NTRODUCCÓN.. CLASFCACÓN DE LOS CONERTDORES CA/CC..3 PARÁETROS DE RENDENTO..4 RECTFCADORES: CRCUTO BÁSCO..5 RECTFCADORES NO CONTROLADOS..6 EFECTO DE LA NDUCTANCA DE LA FUENTE EN LA CONUTACÓN DE CORRENTE..7 RECTFCADORES CONTROLADOS..8 ANÁLSS DE LOS CONERTDORES CA/CC EDANTE LA FUNCÓN EXSTENCAL BBLOGRAFÍA: [1] RASHD,.H. Electrónica de potencia: Circuitos, dispositivos y aplicaciones. Ed: Pearson Prentice Hall. 4. SBN: Bibl-EUP: A Capítulos 3 y 1. [] UREÑA UREÑA, J y Otros. Electrónica de Potencia. Ed: Servicio de publicaciones de la U. de Alcalá de Henares SBN: Bibl- EUP: A-798, A-799, A-87, A Capítulo 5. [3] HART, D.W. Electrónica de Potencia. Ed: Prentice Hall. 1. SBN: Bibl-EUP: A-7594, A-774, A-776. Capítulos 3 y 4. [4] LORENZO, S., RUZ, J.., ARTÍN, A. Simulación, control digital y diseño de convertidores electrónicos de potencia. Dto. Tecnología Electrónica U. de alladolid Documento Electrónico. Bibl-EUP: E-91, E-9, E-93. Capítulo 5.

2 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:..1 NTRODUCCÓN. Su misión fundamental es proporcionar energía eléctrica en forma de corriente continua a partir de una fuente de corriente alterna (normalmente la red). La corriente continua se obtiene aprovechando determinados trozos de la corriente alterna de cada una de las fases de entrada: El resultado es una corriente de una sola polaridad pero variable. Se pueden utilizar distintos filtros para eliminar las componentes variables de la salida y conseguir una corriente continua más pura. Utilizando semiconductores controlables (tiristores) se puede ajustar la duración del trozo de tensión alterna aprovechable y de esa forma conseguir corriente continua con valor medio variable entre ciertos límites (incluso negativos):

3 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.3. CLASFCACÓN DE LOS CONERTDORES CA/CC Para la clasificación de estos dispositivos se utilizan diversos criterios:.- EN FUNCÓN DEL Nº DE FASES DE LA FUENTE DE ALTERNA: a) onofásicos. b) Trifásicos. c) Hexafásicos, etc..- EN FUNCÓN DE LA POSBLDAD DE CONTROL: a) No controlados o rectificadores. No se puede controlar la magnitud de la tensión continua, que será siempre fija. Se construyen con diodos. b) Controlados. Se puede regular la magnitud de la tensión CC mediante el control de la zona de conducción de los semiconductores de cada fase. Tradicionalmente se construyen con tiristores de los que se controla el instante de comienzo de conducción (control por fase). La extinción se produce de forma natural: cuando pasa la corriente por cero o cuando se dispara el tiristor de otra fase hacia el que se desvía la corriente continua. c) Semicontrolados Se construyen de forma mixta con diodos y tiristores y pueden controlar la magnitud de la tensión continua de salida, aunque de manera menos flexible. NOTA: Algunos autores denominan Rectificadores a todos los convertidores CA/CC, y así hablan de: Rectificadores controlados y no controlados.

4 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.4.- EN FUNCÓN DE LA ESTRUCTURA DEL CONERTDOR: a) En matriz de conversión. Entre cada fase de entrada (alterna) y la salida (continua) existe sólo un único polo de potencia. b) En puente. La carga es alimentada por una matriz de conversión en cada extremo (una de ánodo común y otra de cátodo común).

5 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.5 EJEPLO 1: Rectificador monofásico/bifásico no controlado en matriz de conversión y en puente: EJEPLO : Convertidor CA/CC trifásico semicontrolado en puente: EJEPLO 3: Rectificador hexafásico controlado en matriz de conversión:

6 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.6.3 PARÁETROS DE RENDENTO. Requisitos exigidos a un convertidor CA/CC de calidad: a) Que produzca a su salida tensión continua con un contenido mínimo de armónicos. b) Que no distorsione las corrientes de entrada (debe mantenerlas tan senoidales como sea posible para no afectar a otros dispositivos conectados a la red). c) Que no desfase tensión y corriente de entrada, es decir, que su factor de potencia sea cercano a la unidad. El rendimiento de un rectificador se evalúa en función de los siguientes parámetros: A.- PARÁETROS RELATOS A LA SALDA DEL CONERTDOR: 1.- alor medio de la tensión de salida: o o CD o (A). 1 T o ( A) v o(t) dt T.- alor medio de la corriente de salida: o o CD o (A). 3.- Potencia de salida en continua: PCD P CD O(A) 4.- alor eficaz de la tensión de salida: o RS. o RS 5.- alor eficaz de la corriente de salida: o RS. 1 T T v O(A) O (t) dt

7 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm: Factor de forma del rectificador: FF FF 7.- Potencia de salida en alterna: PCA P CA O RS O RS O A O RS 8.- Eficiencia (o razón de rectificación) de un rectificador: η η 9.- alor eficaz de la componente alterna de la salida: o ca P P CD CA O ca 1.- Factor de rizado (ripple factor): RF RF Oca O A O RS FF O A 1 B.- PARÁETROS RELATOS A LA ENTRADA DEL CONERTDOR: Se supone que la tensión que alimenta al rectificador, s (procedente de la red), es puramente sinusoidal. 1.- Factor de Potencia de Desplazamiento: DPF. DPF cos φ donde φ es el desfase entre las componentes fundamentales de is(t) y vs(t).

8 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.8.- Factor de Potencia: PF. PF P ACTA S S rms S rms S1rms cosφ S rms S1rms S rms cosφ donde S1 se refiere a la componente fundamental de is(t). Si vs(t) es senoidal pura, sólo la componente fundamental de is(t) produce potencia activa. Si la carga del rectificador es puramente resistiva, se puede calcular PF como: P PF CA S Orms Srms 3.- Corriente de distorsión en la entrada: idis(t) i Orms Srms dis (t) is(t) is1(t) isn(t) n 1 dis rms s rms s1 rms sn rms n Distorsión armónica total de la corriente de entrada: THD srms s1rms s1rms srms THD 1 s1rms Normalmente se expresa en tanto por ciento: 5.- Factor de cresta: CF THD dis rms s1rms s máx CF srms 1% spico srms dis rms s1rms Un rectificador ideal deberá tener: η 1% o ac FF 1 RF THD PF DPF 1 En general, la determinación analítica de los parámetros de rendimiento de un rectificador será muy complicada y en la mayoría de los casos se necesitará utilizar una herramienta de simulación.

9 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.9.4 RECTFCADORES: CRCUTO BÁSCO. Como introducción al análisis de rectificadores se estudiará el rectificador de media onda con distintas cargas: A.- RECTFCADOR DE EDA ONDA CON CARGA RESSTA:

10 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.1 Los parámetros de rendimiento de este rectificador son: 1.- alor medio de la tensión de salida: o (A). o (A) 1 sen(wt) d(wt).- alor medio de la corriente de salida: o (A). o (A) 3.- Potencia de salida en continua: PCD P CD O(A) o (A) R O(A) 4.- alor eficaz de la tensión de salida: o RS. o NOTA: Recordad que: 1 [ sen(wt) ] R RS d(wt) 5.- alor eficaz de la corriente de salida: o RS. R sen sen α α α dα + Cte 4 ORS O RS 6.- Factor de forma del rectificador: FF FF 7.- Potencia de salida en alterna: PCA P R O RS O A R CA O RS O RS 4R 8.- Eficiencia (o razón de rectificación) de un rectificador: η η 9.- Factor de rizado: RF P P RF CD CA FF 4 '45 4'5% 1 1'1 11% 1.- Tensión máxima repetitiva de bloqueo del diodo: D inv

11 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm: Factor de Potencia: PF. Como: S RS y S RS ORS PF P S CA Orms Orms Srms Srms 1.- Factor de cresta de la corriente de entrada: CF CF s máx srms ' Determinación de los armónicos de la tensión de salida, vo(t): v A () t + ( A sen(nwt) + B cos(nwt ) O cd n n ) n 1 cd O(A) 1 1 n O ( wt) cos(n w t) d(w t) sen( wt) cos(n w t) d(w t) n 1,3,5,... An n,4,6,... A n 1+ ( 1) 1 n 1 1 Bn O ( wt) sen(n w t) d(w t) sen( wt) sen(n w t) d(w t) n n 1 n,3,4,... B 1 B n v o (t) + sen wt 3 cos wt 15 cos 4wt 35 cos 6wt...

12 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm: Determinación de los armónicos de la corriente, is(t) io(t): i s (t) + senwt cos wt cos 4wt cos 6wt R R 3R 15R 35R Corriente de distorsión en la entrada: idis(t) dis rms srms s1rms R R '77 srms 16.- Distorsión armónica total de la corriente de entrada: THD THD srms s1rms 1 1 1%

13 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.13 B.- RECTFCADOR DE EDA ONDA CON CARGA RL: Se analiza previamente la forma de la corriente que circula por una carga RL alimentada por una tensión alterna: Durante los intervalos [t1, t] y [t3, t4] la inductancia se descarga (actúa como fuente) y durante [t, t3] y [t4, t5] se carga. La corriente no se anula cuando vs(t) se hace cero, sino que la energía almacenada en la L hace que la corriente siga circulando por la resistencia en el mismo sentido. Únicamente cuando la energía se termina, la corriente cambia de sentido y la inductancia comienza a cargarse con polaridad contraria. Los voltio-segundos que almacena la inductancia son los que utiliza para mantener transitoriamente la corriente por la resistencia, hasta que se agotan y la corriente se anula.

14 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.14 En régimen estacionario: v s (t) R i(t) + di(t) L dt i(t) sen(wt φ) Z donde: Z φ R tan 1 + (Lw) Lw R PORTANTE: En régimen estacionario, el valor medio de la tensión en la L es siempre nulo. Se muestra a continuación un rectificador de media onda con carga RL: La diferencia con el caso anterior es que la corriente no puede cambiar de sentido debido al diodo. La L mantiene la corriente, aun con vs(t) negativo, hasta que haya descargado sus voltio-segundos (β).

15 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.15 La siguiente gráfica muestra con detalle las tensiones y corrientes del rectificador media onda con carga LR: Es importante resaltar cómo la tensión de salida, vo(t), alcanza valores negativos debido a la presencia de la inductancia (mientras el diodo esté conduciendo, vo(t) vs(t)).

16 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.16 La descripción matemática del comportamiento del circuito es la siguiente: Siempre que el diodo está conduciendo: vs (t) sen(wt) R i(t) + di(t) L dt La solución de esta ecuación diferencial tiene componentes: a) La respuesta forzada o permanente que corresponde a la corriente en régimen estacionario si el diodo no estuviera presente: i f (t) sen(wt φ) donde: Z Z φ R tan 1 + (Lw) Lw R b) La respuesta natural o transitoria que corresponde a la solución de la ecuación diferencial homogénea: i di(t) R i(t) + L con i() dt (t) sen( ) e t n φ τ donde τ Z L R i(wt) De manera que: Z sen(wt φ) + Z sen( φ) wt e w τ Para wt β Para β wt donde β Ángulo extra de conducción del diodo, puede determinarse a partir de la ecuación transcendente: β τ sen( β φ ) + sen( φ ) e w CONCLUSÓN: El estudio analítico de un circuito rectificador es, en la mayoría de los casos, muy complejo. Normalmente se realiza un estudio sobre casos idealizados (carga resistiva pura, corriente de salida constante, etc.) o, alternativamente, se determinan sus parámetros mediante simulación.

17 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.17 C.- RECTFCADOR DE EDA ONDA CON CARGA RL Y DODO DE LBRE CRCULACÓN: Se denomina Diodo de libre circulación a un diodo conectado en extremos de las cargas inductivas para servir de camino alternativo a la descarga de la energía almacenada cuando están abiertos los polos principales del convertidor. El efecto del diodo es evitar que aparezca tensión negativa en la carga, con lo que aumenta el valor medio de la tensión de salida. En wt, la corriente que circulaba por D1 se transfiere a D en un proceso denominado conmutación de diodos.

18 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.18 D.- RECTFCADOR DE EDA ONDA CON CARGA RLE: El diodo conduce entre α y β: α corresponde al instante en el que la tensión de alterna alcanza el valor cc. β corresponde al instante en el que la corriente se hace cero. NOTA PORTANTE: EL RECTFCADOR DE EDA ONDA NO SE USA EN APLCACONES NDUSTRALES POR SUS PÉSAS CARACTERÍSTCAS Y ÚNCAENTE SE NCLUYE AQUÍ POR OTOS DDÁCTCOS.

19 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.19.5 RECTFCADORES NO CONTROLADOS..5.1 RECTFCADORES ONOFÁSCOS. A) EN ATRZ DE CONERSÓN (BFÁSCOS). A.1) CON CARGA RESSTA: Los diodos D1 y D conducen alternativamente. La corriente por la carga siempre es positiva. La tensión máxima en un diodo polarizado en inversa es el doble del valor de pico de la tensión de cada secundario. La corriente por el primario circula en los dos semiciclos y tiene un valor medio nulo. La frecuencia fundamental de la tensión de salida (primer armónico) es w.

20 ELECTRÓNCA DE POTENCA Núm:.