Conversión CA-CC: Rectificadores

Transcripción

1 Conversión CA-CC: Rectificadores Electrónica de Potencia Autores (orden alfabético): A. Barrado, C. Fernández, A. Lázaro, E. Olías, M. Sanz, P. Zumel

2 Índice tema Conversión CA-CC y clasificación rectificadores Rectificadores no controlados monofásicos: El diodo Circuitos básicos con diodos Rectificador de media onda Rectificador de onda completa: carga resistiva y carga altamente inductiva Rectificadores controlados monofásicos: El tiristor Rectificador de media onda y de onda completa con carga resistiva Rectificador de onda completa: carga resistiva y carga altamente inductiva Rectificador de onda completa con diodo de libre circulación Rectificadores trifásicos: Rectificador de media onda Rectificador de onda completa no controlado y controlado: carga resistiva y carga altamente inductiva Concepto de inversor no autónomo Rectificador de onda completa con diodo de libre circulación 2

4 Conversión CA-CC ALTERNA CONTINUA RECTIFICACIÓN TRAFO RECTIFICADOR FILTRO CARGA L C R L reduce rizado de i C reduce rizado de u LC filtro de más calidad CA CA CC pulsante CC con rizado 4

5 Clasificación de los rectificadores En función del dispositivo No controlado Controlados Dependiendo del aprovechamiento de la sinusoidal Media onda Doble onda u onda completa Según el número de fases Monofásico Trifásico 5

7 Diodo: característica estática No Controlado V max < 4500V I max < 3500A Ánodo Cátodo p n f max < tipo Intensidad i AK A K V B Tensión inversa IO V D Tensión directa Tensión v AK 7

8 Diodo: modelo estático en conducción Modelo ideal Primera aproximación Segunda aproximación, modelo real Cortocircuito 2 P d Vd Id, med Pd Vd Id, med rd Id, ef 8

9 Diodo: parámetros estado bloqueo VRWM VRRM VRSM VR IR IF (AV) IFRM Tensión inversa de trabajo máxima. Es la tensión que puede ser soportada por el diodo de forma continuada sin peligro de calentamientos Tensión inversa de pico repetitivo. Es la tensión que puede ser soportada en picos de 1 ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido Tensión inversa de pico no repetitivo. Es la tensión que puede ser soportada por una sola vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10 ms Tensión de ruptura. Si es alcanzada, aunque sea por una sola vez con duración de 10 ms o menos, el diodo puede destruirse o al menos degradar sus características eléctricas Intensidad de fugas. Intensidad que circula por el dispositivo de potencia cuando está bloqueado Diodo: parámetros estado conducción IFSM Corriente directa media nominal. Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar con la cápsula mantenida a determinada temperatura. Corriente directa de pico repetitivo. Puede ser soportada cada 20 ms por tiempo indefinido, con duración del pico de 1 ms a determinada temperatura de la cápsula Corriente directa de pico no repetitivo. Es el máximo pico de intensidad aplicable por una vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10 ms 9

10 Diodo: característica dinámica 0.25IRR IF 0 ts trr t trr Qrr S Tiempo de recuperación inversa Carga eléctrica almacenada o desplazada. Factor de suavizado. Es la relación entre los tiempos de caída y almacenamiento IRR tf Ejemplo de conmutación con recuperación suave S 1 S t t f s Influencia del t rr en la conmutación Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable : Se limita la frecuencia de funcionamiento no se puede conmutar hasta después de la recuperación Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa convivencia V e I 10

11 Ejemplo: Schottky 40CPQ045 11

12 Configuración 1: diodos en cátodo común (I) 10 V 5 V Tensión en la fuente V1 Tensión en la fuente V2 v1 10 V v2 5 V 10 V Tensión en la carga Diodos en cátodo común conduce el de mayor tensión de ánodo 12

13 Configuración 1: diodos en cátodo común (II) D1 Tensión en la fuente V1 Tensión en la fuente V2 D2 v1 100 Vp 50 Hz v2 60 Vp 50 Hz Tensión en la carga v1 0 v1 0 v1 Tensión ánodo-cátodo del diodo D1 0 v1 0 v1 0 Tensión ánodo-cátodo del diodo D2 v2-v1 v2 v2-v1 v2 v2-v1 13

14 Configuración 1: diodos en cátodo común (III) Tensión en la fuente V1 Tensión en la fuente V2 v1 100 Vp 50 Hz v2 60 Vp 50 Hz desfasada 45º Tensión en la carga v1 v1 v1 v2 v2 v2 Tensión ánodo-cátodo del diodo D1 Tensión ánodo-cátodo del diodo D2 14

15 Configuración 2: diodos en ánodo común (I) -5 V Tensión en la fuente V2-10 V Tensión en la fuente V1 v1 10 V v2 5 V -10 V Tensión en la carga Diodos en ánodo común conduce el de menor tensión de cátodo 15

16 Configuración 2: diodos en ánodo común (II) Tensión en la fuente V1 Tensión en la fuente V2 Tensión en la carga v1 100 Vp 50 Hz v2 60 Vp 50 Hz 0 v1 0 Tensión ánodo-cátodo del diodo D1 v1 0 v1 0 v1 0 v1 Tensión ánodo-cátodo del diodo D2 v2 v2-v1 v2 v2-v1 v2 16

17 Configuración 2: diodos en ánodo común (III) Tensión en la fuente V1 Tensión en la fuente V2 Tensión en la carga Trabajo personal propuesto v1 100 Vp 50 Hz v2 60 Vp 50 Hz desfasada 45º v2 v1 Tensión ánodo-cátodo del diodo D1 v1 v2 Tensión ánodo-cátodo del diodo D2 17

18 Rectificador media onda carga R Tensión en la fuente V1 220 V AC 50 Hz Tensión en la carga R Corriente por la carga R Tensión ánodo-cátodo en el diodo 18

19 Rectificador onda completa carga R Tensión en la fuente V1 Tensión salida rectificador (carga R) 220 V AC 50 Hz D1, D2: Diodos cátodo común D3, D4: Diodos ánodo común Corriente salida rectificador Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 19

20 Comparación rectificadores (I) Rectificador media onda carga R Tensión en la carga R Rectificador onda completa carga R Tensión en la carga R Corriente por la carga R = corriente por la línea ig Corriente por la carga R Corriente por la línea ig Rectificador de media onda: Corriente por la línea con valor de continua Problemas con los transformadores que estén conectados a esa red Dimensionamiento de la red Armónicos de menor frecuencia Mal factor de rizado Rectificador de onda completa: Factor de potencia igual a 1 Cuatro diodos Mal factor de rizado Se precisa mejorar el factor de rizado filtro con condensador 20

21 Comparación rectificadores (II) Rectificador media onda carga R Tensión en la carga R Rectificador onda completa carga R Tensión en la carga R Corriente por la carga R = corriente por la línea ig Corriente por la carga R Corriente por la línea ig Trabajo personal propuesto Cálculo del valor medio de tensión entregada a la carga si la red es de 220 VAC (valor eficaz) y 50 Hz (red europea) Cálculo de la potencia consumida por una carga resistiva de 1 Ω Factor de rizado de la tensión en la carga Factor de potencia en la fuente sinusoidal 21

22 Rectificador media onda con carga RE Trabajo personal propuesto 22

23 Rectificador onda completa carga RC (1) Tensión en la fuente V1 Tensión salida rectificador (carga C-R) 220 V AC 50 Hz Carga condensador Corriente salida rectificador Descarga condensador Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 23

24 Rectificador onda completa carga RC (2) El condensador se carga siguiendo la sinusoidal de entrada La descarga del condensador es exponencial y su expresión aproximada (despreciando el tiempo de carga) es: T 2 RC u t = V g e t Para una misma R, el rizado de tensión es menor cuanto mayor es el condensador del filtro Tensión en la carga para distintos valores del condensador Vg V1 V2 V3 -Vg 0.4K C=10 mf C R 0.2K V g C=1mF C=5 mf 0K T/2-0.2K -0.4K Time (s) 24

25 Rectificador onda completa carga RC (3) Vg -Vg V1 Resultado simulación V g Cálculo del rizado de tensión en la carga 0.4K 0.2K Vg -Vg Aproximación triangular V med ΔV 0K -0.2K Aproximación triangular -0.4K T/ Time (s) Time (s) Se desprecia el tiempo de carga del condensador descarga Δt = T/2 Se supone que la descarga es lineal descarga por fuente de corriente I V med /R Si el rizado es suficientemente pequeño I V g /R Circuito a analizar durante la descarga del condensador Cálculo del rizado de tensión en la carga ΔV = I Δt C C R + v - C I v cte V g I V med /R 25

26 Comparación media onda y doble onda Trabajo personal propuesto 26

27 Características básicas rectificador con filtro C u g + i g D 1 D 2 u g D 3 D 4 C i C R i R + v - Reducido tamaño Económico Robusto Corrientes de pico muy elevadas en los diodos Mal factor de potencia. Los armónicos de la corriente de entrada no cumplen con la normativa EN Condensador de gran tamaño para reducir el rizado de tensión si la corriente de carga es elevada i g Se precisa suavizar la corriente y mejorar el factor de potencia filtro LC 27

28 Filtro LC para la tensión de salida Características que debería tener el filtro ideal 1. Paso de la componente continua 2. Atenuación del resto de armónicos v f v v~ v ~ f Debe pasar íntegra a la salida el valor medio de la señal de entrada v f v 0 Los armónicos no deben pasar a la carga, o pasar lo suficientemente atenuados Características del filtro LC Baja frecuencia: v f v 0 Alta frecuencia: doble efecto Crece con f v f v0 0dB 1 2 LC v f f Z s Z p v 0 Decrece con f v f Z s Z p Z p 28

29 Rectificador onda completa carga LCR Tensión en la fuente V1 Tensión salida rectificador (carga L-C-R) Corriente salida rectificador 220 V AC 50 Hz MCC: la corriente por la bobina nunca se hace igual a cero Tensión carga resistiva Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 29

30 Rectificador onda completa carga LCR: MCC El modo de conducción continuo (MCC) se consigue cuando la corriente por la inductancia no se anula nunca Para un filtro LC dado, el modo de conducción depende de la carga resistiva: se pasa al modo de conducción discontinuo (MCD) al reducir la carga (mayor R) i L Vg I1 Modo de Conducción Continuo (MCC) u g Vg I2 Frontera MCC - MCD u g i L i L R= 1 R= 2, Vg I3 Modo de Conducción Discontinuo (MCD) + u g u g i L R= Time (ms) 30

31 Rectificador onda completa carga LCR: MCD Al aumentar R (bajar la carga), el rectificador entra en modo de conducción continuo (MCD): Aparecen tramos en los que i L = 0 dejan de conducir los diodos La tensión a la salida del rectificador ya no es la sinusoidal rectificada La tensión media de salida es mayor que la de MCC i L R= 10 u g i L V m O 199V + + u g + - v rect - v V m O 211V - 31

32 Análisis rectificador con carga LCR en MCC (I) En MCC, como i L nunca se interrumpe, la tensión que proporciona el rectificador tiene siempre la misma forma: sinusoidal rectificada de doble onda Vg V1 u u g Serie de Fourier conocida: 2V p 4 Vp u( t) cos( n t) 2 1 n n n par n = 2, 4, 6, 8, n = (2 k), donde: k = 1, 2, 3, Time (ms) U media u n ( n t) L L L u g + - Parte NO LINEAL u + - C Parte LINEAL + R + + u 0 C R - u - - u 0 u n u ( n t) (2 ) 2 t U media C R + u 0-32

33 Análisis rectificador con carga LCR en MCC (II) Régimen sinusoidal permanente Aplicación de superposición: resolución de cada circuito de forma independiente y suma de los resultados i L L I L media i L 2 t L U media (2 ) L + C R + U 0 media - U u n u ( n t) (2 ) 2 t U media C R + u ef U0 m U0 2 U0 4 I 2 L ef I L m I L 2 I L i L n ( n t) + u2(2 t) C R u (2 0 2 t) - u n + L + ( n t) C R + u0 n t - ( n ) 33

34 Análisis rectificador con carga LCR en MCC (3) Tensión en la fuente V1 Tensión salida rectificador (carga L-C-R) Corriente salida rectificador 220 V AC 50 Hz MCC: la corriente por la bobina nunca se hace igual a cero Tensión carga resistiva Si el filtro está bien diseñado, se puede considerar como buena aproximación: V I 2 O ef 2 L ef V 2 O m V 2 O V I L m I L 2 I L O El condensador mantiene la tensión prácticamente constante La bobina suaviza la forma de onda de la corriente 34

35 Rectificador con filtro LC i L L u g i g D 1 D 2 D 3 D 4 + v rect - C i C R i O + v O - Reducir las corrientes de pico en los diodos Ayuda a reducir el rizado de tensión en el condensador Condensador de menor capacidad y corriente eficaz Peso y tamaño de la inductancia v Suaviza la forma de onda de corriente L dil L dt Mantiene la tensión constante i C dvc C dt La potencia entregada a la carga solo depende del valor de la tensión de red habría que buscar una forma de poder controlar la potencia entregada a la carga 35

36 Cálculo de tensiones y corrientes Trabajo personal propuesto 36

37 Rectificador onda completa carga RL (100 mh) Tensión en la fuente V1 Tensión salida rectificador (carga R-L) 220 V AC 50 Hz El mismo análisis puede aplicarse a todas las cargas inductivas, como la RL Corriente salida rectificador Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 37

38 Rectificador onda completa carga RL (10 mh) Tensión en la fuente V1 Tensión salida rectificador (carga R-L) 220 V AC 50 Hz Corriente salida rectificador Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 38

39 Comprobación modo de conducción Cálculo (valor pico) primer armónico corriente bobina I 1 Cálculo valor medio corriente bobina I med Comparación primer armónico y valor medio: Modo conducción continuo I med > I 1 La corriente por la bobina no se anula Trabajo personal propuesto 39

41 Característica estática tiristor Semicontrolado (control encendido) Ánodo A i ak 1 ZONA DE CONDUCCIÓN Puerta G Cátodo K 2 ZONA DE BLOQUEO DE TENSIÓN INVERSA Tensión máxima V RRM Comportamiento similar al diodo: i G DISPARO i G2 i G1 a rd i ak i i i G DISPARO G2 G1 k IMPLICACIONES CARACTERÍSTICA ESTÁTICA 1. REQUISITOS DE DISPARO v ak > 0 (Previamente polarizado en directa) i G > i G DISPARO I ak > I H CORRIENTE DE ENCLAVAMIENTO V DRM v ak 2. REQUISITOS DE APAGADO EFECTO AVALANCHA 3 ZONA DE BLOQUEO DE TENSIÓN DIRECTA Tensión máxima v DRM i ak < 0 CORRIENTE DE MANTENIMIENTO 41

42 Rectificador media onda carga R (I) Tensión en la fuente V1 T1 Tensión en la carga R 220 V AC 50 Hz Conduce T1 Corriente por la carga R No conduce ninguno Tensión ánodo-cátodo en el tiristor α La tensión eficaz entregada a la carga depende del ángulo de disparo α del tiristor V ef = 1 π 2π න V g sin(θ)dθ = V g α 2π 1 + cos(α) 42

43 Rectificador media onda carga R (II) Tensión en la fuente V1 220 V AC 50 Hz Tensión en la carga R 2 ZONA DE BLOQUEO DE TENSIÓN INVERSA Tensión máxima V RRM i ak 1 ZONA DE CONDUCCIÓN 1 Comportamiento similar al diodo: i G DISPARO i G2 i G1 a rd V v ak DRM i ak i i i G DISPARO G2 G1 k Corriente por la carga R = corriente ánodo-cátodo Tensión ánodo-cátodo en el tiristor EFECTO AVALANCHA 3 3 ZONA DE BLOQUEO DE TENSIÓN DIRECTA Tensión máxima v DRM 43

44 Rectificador media onda carga R (III) Tensión en la fuente V1 220 V AC 50 Hz Tensión en la carga R El ángulo de disparo α del tiristor es el ángulo que se retrasa su conducción desde que está polarizado en directa (v AK > 0), es decir, desde el instante en que empezaría a conducir si fuera un diodo En este caso el ángulo de conducción podría variar entre 0 y π Corriente por la carga R = corriente ánodo-cátodo Tensión ánodo-cátodo en el tiristor α 44

45 Comparación rectificador no controlado y controlado Tensión en la fuente V1 Tensión en la fuente V1 Tensión en la carga R Tensión en la carga R Corriente por la carga R Corriente por la carga R 45

46 Rectificador onda completa carga R T1 T2 Tensión en la fuente V1 T3 T4 Tensión salida rectificador (carga R) 220 V AC 50 Hz T1,T4 ninguno T2,T3 ninguno Corriente salida rectificador Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el tiristor T3 46

47 Valor medio de tensión (V) Cálculo valor medio y potencia Rectificador media onda carga R U g Tensión en la carga R Rectificador onda completa carga R U g Tensión en la carga R u MedOnda = 1 2π π Ug sin θ dθ = U g (1 + cos(α)) α 2π u DobOnda = 1 π π Ug sin θ dθ = U g (1 + cos(α)) α π U g 0.8 2U g π 0.6 u MO ( ) u DO ( ) U g π u MedOnda u DobOnda Ángulo de conducción α (rad) π 47

48 Rectificador onda completa carga LR (I) L=100 mh α=45º α=80º Tensión en salida la fuente rectificador V1 (carga L-R) Corriente salida rectificador Modo de conducción continuo: La corriente por la bobina siempre es mayor que cero Modo de conducción discontinuo La corriente por la bobina es igual a cero en algún instante La tensión a la salida del rectificador no tiene la misma forma que en modo de conducción continuo Tensión carga resistiva Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 Modo de conducción continuo Modo de conducción discontinuo 48

49 Rectificador onda completa carga LR (II) α=45º L=2000 mh L=100 mh Tensión salida rectificador (carga L-R) Corriente salida rectificador 220 V AC 50 Hz Tensión carga resistiva Mayor rizado de corriente cuanto menor es la inductancia Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 49

50 Rectificador carga altamente inductiva (I) Tensión en la fuente V1 Tensión salida rectificador (carga L-R) T1 T3 T2 T4 T1,T4 T2,T3 Corriente salida rectificador 220 V AC 50 Hz Carga con una inductancia muy grande (carga altamente inductiva) Se considera una inductancia tan elevada que se puede despreciar el rizado de corriente por la misma Tensión carga resistiva Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 50

51 Rectificador carga altamente inductiva (II) Tensión en la fuente V1 Tensión salida rectificador (carga L-R) T1 T2 T1,T4 T2,T3 Corriente salida rectificador T3 T4 220 V AC 50 Hz Tensión carga resistiva T1 y T4 se apagan por fuente inversa de tensión al empezar a conducir T2 y T3 T1 y T4 siguen conduciendo porque la corriente a la salida del rectificador no se ha anulado y todavía no se han disparado T2 y T3 Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 T2 y T3 se pueden disparar porque están bloqueando tensión directa 51

52 Rectificador carga altamente inductiva (IV) α=0º α=45º α=60º α=80º Tensión en la fuente V1 Tensión salida rectificador (carga L-R) Corriente salida rectificador Tensión carga resistiva V V V 34.3 V Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 52

53 Rectificador carga altamente inductiva (V) La tensión medida aplicada a la carga disminuye con el ángulo de disparo π+α Vmed( ) Vmed( ang) V u o = 1 π න α V V U g sin θ dθ = 2U g π 34.3 V cos(α) º 60º 80º, ang 53

54 Rectificador carga altamente inductiva (III) Si la inductancia del filtro es suficientemente grande: Mismas formas de onda y mismo análisis para carga RLE, LCR y LR Puede despreciarse el rizado de corriente por la bobina y por tanto la tensión que aparece en la resistencia es continua Trabajo personal propuesto Calcular el factor de potencia visto por el generador en función del ángulo de disparo Calcular la distorsión armónica de la corriente de entrada Calcular la potencia entregada por la fuente en función del ángulo de disparo: Considerando el consumo de la carga. A partir de las formas de onda de tensión y corriente en el generador. Analizar si es posible que la carga entregue potencia a la red, y en qué ángulos de disparo de los tiristores 54

55 Rectificador onda completa carga LR con DLC Tensión en la fuente V1 Tensión salida rectificador (carga L-R) T1 T2 D T1,T4 D T2,T3 Corriente salida rectificador D T3 T4 220 V AC 50 Hz Tensión carga resistiva Diodo de libre circulación Corriente por la línea Tensión ánodo-cátodo en el diodo D3 55

56 Rectificador onda completa carga LR con DLC Sin diodo libre circulación Con diodo libre circulación Tensión en la fuente V1 α=45º Tensión salida rectificador (carga L-R) Corriente salida rectificador Tensión carga resistiva 56

57 Valor medio de tensión (V) Rectificador onda completa carga LR con DLC Sin diodo libre circulación Con diodo libre circulación u sindlc = 1 π න α π+α U g sin θ dθ = 2U g π cos(α) u condlc = 1 π π Ug sin θ dθ = U g (1 + cos(α)) α π U g 1 2U g π 0.5 u condlc u condlc ( ) u sindlc ( ) 0 0 U g 0.5 π u sindlc U g Ángulo de conducción α (rad) π 57

58 Comparación con y sin diodo libre circulación Trabajo personal propuesto Representar la tensión media aplicada a la carga en función del ángulo de disparo en el caso de un rectificador de onda completa con carga altamente inductiva, con y sin diodo de libre circulación. Para un mismo ángulo de disparo, qué configuración proporciona mayor tensión media? Calcular el factor de rizado de la tensión a la salida del rectificador considerando las dos configuraciones mencionadas. 58

60 Rectificador no controlado de media onda (I) RN SN TN v RN v SN D 1 D 2 v RN ( t1) v TN ( t1) D 1 D 2 D 3 N v TN D 3 R v SN ( t1) Para este instante, v RN ( t1 ) vtn ( t1 ) vsn ( t1 ) Por tanto el diodo que tiene su ánodo a mayor tensión es D 1 y será este quien conduzca v SN ( t1 ) vtn ( t1 ) vrn ( t1 ) D 2 tiene su ánodo a mayor tensión. Conduce D 2 60

61 Rectificador no controlado de media onda (II) v RN D 1 RN SN TN v SN D 2 D 1 D 2 D 3 N + v TN D 3 v R - v Cada diodo aplica a la carga la tensión de su fase por tanto la tensión en la carga, v, se va conformando según la mayor de las tres tensiones de fase D 1 D 2 D 3 61

62 Rectificador no controlado de media onda (III) v R N D 1 CARGA RESISTIVA N v S N D 2 i v D 1 D 2 D 3 Vm + v T N D 3 v R Cada diodo conduce la corriente de carga en su intervalo de conducción I m Vm R I R m Vm 3R - Este rectificador inyecta continua en la red i i R D 1 V m R 1 V m 3 R 62

63 Rectificador no controlado onda completa (I) Mayor tensión Menor tensión D1 D2 D3 v RN ωt 1 v TN ωt 1 RN SN TN t 1 D4 D5 D6 v SN ωt 1 Para el instante t 1 se cumple: v RN ωt 1 > v TN ωt 1 > v SN ωt 1 Los diodos que conducen son: En la rama de arriba (cátodo común), el diodo que soporta la mayor tensión de ánodo es D1 En la rama de abajo (ánodo común), el diodo que soporta la menor tensión de cátodo es D5 Conducen D1 y D5 63

64 Rectificador no controlado onda completa (II) Rama de arriba: Mayor tensión de ánodo D1 D2 D3 RN SN TN D1 D2 D3 D4 D5 D6 D5 D6 D4 Rama de abajo: Menor tensión de cátodo 64

65 Rectificador no controlado onda completa carga R (I) RN SN TN D1 D2 D3 + v o - D4 D5 D6 D1 D5 D1 D6 D2 D6 D2 D4 D3 D4 D3 D5 RS RT ST SR TR TS La carga ve las tensiones de línea 65

66 Rectificador no controlado onda completa carga R (II) Valor de pico de la tensión fase-neutro V g RN SN TN D1 D2 D3 + v o - D4 D5 D6 Valor medio de la tensión en la carga: Valor de pico de la tensión de línea 3 V g RS RT ST SR TR TS v o = 1 2π/3 π/3 න v línea θ dθ = π/3 = 1 2π/3 π/3 න π/3 3 V g sen θ dθ = 3 3 V g π 0 π 3 2π 3 π 66

67 Rectificador no controlado onda completa carga R (III) v o RS RT ST SR TR TS i R - D1 D2 D3 + v o - i R v AKD4 Trabajo personal propuesto + D4 D5 D6 Representar las formas de onda indicadas Calcular el rizado de tensión en la carga Calcular el valor eficaz de la tensión en la carga Calcular la potencia consumida por la resistencia Calcular el valor medio de la corriente por la línea ( ഥi R ) v AKD4 67

68 Rect. controlado onda completa carga R (I) i rect T1 T2 T3 + v RN i R v SN v TN v rect - T4 T5 T6 Carga resistiva El ángulo de disparo α = 0º de un tiristor se corresponde con el instante en el que ese tiristor se polariza en directa (v AK > 0) y por tanto es susceptible de conducir RS RT ST SR TR TS RS RT ST SR TR TS v o v o 0 π 3 2π 3 π 2π 0 π 3 2π 3 π 2π El ángulo de disparo α = 0º se corresponde con una fase ωt = π/3 Ángulo de disparo α 68

69 Rect. controlado onda completa carga R (II) Valor medio de la tensión en la carga como una función del ángulo de disparo (válida para formas de onda como las representadas en la figura): v o = 1 2π π/3 න 3 +α v π línea θ dθ = 3 3 V g cos(α) 3 +α π Valor de pico de la tensión de línea 3 V g RS RT ST SR TR TS RS RT ST SR TR TS v o v o 0 π 3 2π 3 π 2π 0 π 3 2π 3 π 2π El ángulo de disparo α = 0º se corresponde con una fase ωt = π/3 Ángulo de disparo α = 0º 69

70 Rect. controlado onda completa carga R (III) α = 0º α = 30º α = 90º RS RT ST SR TR TS RS RT ST SR TR TS RS RT ST SR TR TS v rect RS RT ST SR TR TS RS RT ST SR TR TS La corriente se interrumpe y los tiristores se apagan v AKT4 RS RT ST SR TR TS RS RT ST SR TR TS RS RT ST SR TR TS i R 70

71 Rect. controlado onda completa carga R (IV) α = 0º α = 30º α = 90º RS RT ST SR TR TS RS RT ST SR TR TS RS RT ST SR TR TS v rect Trabajo personal propuesto Indicar qué tiristores están conduciendo en cada caso Calcular la tensión media aplicada a la carga para los siguientes ángulos de disparo 0º < α < 60º 60º < α < 120º 120º < α Representar en un gráfica del valor de la tensión media aplicada a la carga en función de α 71

72 Rectificador trifásico con distintas cargas (I) i rect v RN i R T1 T2 T3 + v rect Carga resistiva v SN v TN - T4 T5 T6 Si la inductancia del filtro es suficientemente grande: Puede despreciarse el rizado de corriente por la bobina y por tanto la tensión que aparece en la resistencia es continua Mismas formas de onda y mismo análisis para carga RLE, LCR y LR v RN T1 T2 T3 + i R v SN v TN - T4 T5 T6 Inductancia + carga L muy grande v rect i rect Carga 72

73 Rectificador trifásico con distintas cargas (II) Carga resistiva α = 45º Inductancia + carga v rect RS RT ST SR TR TS v rect RS RT ST SR TR TS R = 1 Ω i rect i rect 73

74 Rectificador trifásico con distintas cargas (III) Carga resistiva α = 45º Inductancia + carga v rect RS RT ST SR TR TS v rect RS RT ST SR TR TS R = 1 Ω i R i R 74

75 ninguno ninguno ninguno ninguno ninguno ninguno Rectificador trifásico con distintas cargas (IV) Carga resistiva RS RT ST SR TR TS α = 60º Inductancia + carga RS RT ST SR TR TS v rect v rect T1 T5 T1 T6 T2 T6 T2 T4 T3 T4 T3 T5 T1 T5 T1 T6 T2 T6 T2 T4 T3 T4 T3 T5 RS RT ST SR TR TS α = 75º RS RT ST SR TR TS v rect v rect T3 T5 T1 T5 T1 T6 T2 T6 T2 T4 T3 T4 La corriente no se extingue y los tiristores pueden seguir conduciendo T3 T5 T1 T5 T1 T6 T2 T6 T2 T4 T3 T4 75

76 Rectificador trifásico carga altamente inductiva (I) Trabajo personal propuesto α = 0º α = 30º α = 90º v rect v AKT4 i R 76

77 Rectificador trifásico carga altamente inductiva (II) Trabajo personal propuesto Suponiendo que una carga con una inductancia tan elevada que puede despreciarse el rizado de corriente por la misma: Calcular el valor medio de la tensión a la salida del rectificador Cuál es el valor máximo del ángulo de disparo y de qué depende? Calcular el factor de potencia visto por el generador en función del ángulo de disparo Calcular la distorsión armónica de la corriente de entrada Calcular la potencia entregada por la fuente en función del ángulo de disparo: Considerando el consumo de la carga. A partir de las formas de onda de tensión y corriente en el generador. Analizar si es posible que la carga entregue potencia a la red, y en qué ángulos de disparo de los tiristores 77

78 Concepto de inversor no autónomo i,i m + v,v m - L CARGA i es SIEMPRE POSITIVA (lo imponen los tiristores) Debido a L, i prácticamente continua de valor I m Considerando criterio generador para la salida del rectificador Ya que i=i m sólo produce potencia el valor medio de la tensión aplicada a la carga v V m V m I m CARGA P P V I RED RECTIF m m Si V m puede ser también negativa el rectificador podrá operar en dos cuadrantes Para operar en este cuadrante en regimen permanente es necesario que la carga sea capaz de generar potencia. P V m I 0 P V m I 0 m Red consume Carga genera I m m Red genera Carga consume V m 78

79 Rectificador trifásico carga altamente inductiva con DLC L muy grande α = 30º α = 90º v RN i R T1 T2 T3 + v rect i rect v rect Carga v SN v TN - T4 T5 T6 v AKT4 Diodo de libre circulación (DLC) Trabajo personal propuesto Representar las formas de onda que se indican suponiendo despreciable el rizado de corriente por la bobina i R 79

80 Rect.trif. controlado: análisis carga inductiva DLC Trabajo personal propuesto Sobre el circuito anterior y suponiendo despreciable el rizado en la bobina: Calcular el valor medio de la tensión a la salida del rectificador Calcular el factor de potencia visto por el generador en función del ángulo de disparo Calcular la distorsión armónica de la corriente de entrada Calcular la potencia entregada por la fuente en función del ángulo de disparo: Considerando el consumo de la carga. A partir de las formas de onda de tensión y corriente en el generador. Analizar si es posible que la carga entregue potencia a la red, y en qué ángulos de disparo de los tiristores 80