RECTIFICADORES CONTROLADOS (CONVERTIDOR TRIFÁSICO CA-CD)

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1 1 Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica Zacatecas, Zac, Marzo 17 18, 005 RECTIFICADORES CONTROLADOS (CONVERTIDOR TRIFÁSICO CA-CD) José Jimmy Jaime Rodríguez, I. Campos Cantón, Pablo Salas Castro, Abel Vázquez Ramos, Facultad de Ciencias, Electrónica de Potencia, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Álvaro Obregón 64, CP San Luis Potosí, S.L.P., México. TEL: (444) , Fax (444) , correo-e: jim_zid9@hotmail.com, icampos@galia.fc.uaslp.mx, gaimeler7@hotmail.com, abelvazquez15@hotmail.com Resumen En este proyecto se hace un estudio y simulación del proceso de conversión de corriente analógica a corriente directa (ca-cd) mediante un puente rectificador trifásico completo conectado en estrella[4]. Para obtener voltajes de salida controlados, se utilizan tiristores de control de fase en vez de diodos. Abstract In this project we make a study and simulation of the process of conversion acdc through a complete three-phase rectifier connected in Y. In order to obtain controlled output voltages, thyristors of control of phase instead of diodes are used. Palabras clave Rectificador, Tiristor, Trifásico. E I. INTRODUCCIÓN STOS rectificadores controlados por fase son llamados así debido a que podemos controlar su voltaje de salida por medio del ángulo de disparo o retraso de los Tiristores o Rectificadores Controlados de Silicio (SCR s)[]. Un tiristor de control de fase se activa aplicándole un pulso corto a su compuerta y se desactiva debido a la conmutación natural o de línea. Dicho pulso lo podemos controlar con el ángulo de disparo desde 0 hasta (180 0 ). Al utilizar tiristores de control de fase en vez de diodos, podemos obtener voltajes de salida controlados y los podemos usar en aplicaciones industriales, especialmente en propulsores de velocidad variable, cargadores de baterías y una clase de drives de motores a.c. y d.c[3]. Estos convertidores de fase se clasifican en monofásicos y trifásicos, dependiendo de la fuente de alimentación, y se pueden subdividir en: 1) Semiconvertidor (un cuadrante, proporciona voltaje y corriente de salida positivos).

2 107 ) Convertidor completo (dos cuadrantes, la polaridad de su voltaje de salida puede ser positiva o negativa, sin embargo, la corriente de salida solo tiene una polaridad y es positiva). 3) Convertidor dual (cuatro cuadrantes, tanto su voltaje como su corriente de salida pueden ser positivos o negativos). Para analizar el rendimiento de los convertidores controlados por fase con carga RL se puede aplicar el método de las series de Fourier, similar al de los rectificadores con diodos[]. Sin embargo, a fin de simplificar el análisis, se puede suponer que la inductancia de carga es lo suficientemente alta para que la corriente de carga se considere continua y tenga una componente ondulatoria despreciable. En este trabajo veremos en forma particular el estudio y simulación[1] del rectificador trifásico completo o también llamado convertidor trifásico, usando tiristores. II. CONTENIDO A. Teoría del Convertidor Trifásico Completo Este convertidor se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales hasta el nivel de 0kW, en las que se requiere de una operación en dos cuadrantes. En la Figura 1 se muestra un circuito de un convertidor trifásico completo, con una carga altamente inductiva. Este circuito se conoce como puente trifásico. Los tiristores se disparan a intervalos de /3. En t=/6+, el tiristor T 6 ya conduce y el tiristor T 1 se activa. Durante el intervalo /6+t/+ conducen T 1 y T 6 y a través de la carga aparece el voltaje de línea a línea V ab =V an -V bn. En t=/+, T se dispara y T 6 de inmediato invierte su polaridad. T 6 se desactiva debido a la conmutación natural. Durante el intervalo /+t5/6+, T 1 y T conducen y el voltaje de línea a línea, V ca, aparece a través de la carga. Si los tiristores se enumeran tal y como se muestra en la Figura 1, la secuencia de disparo es: 1, 3, 34, 45, 56 y 61. Definiendo los voltajes de línea a neutro como: Figura 1. Circuito del Convertidor Trifásico Completo.

3 108 v an = V sen( ωt) (1) m vbn = Vmsenωt () 3 donde: V m Amplitud del Voltaje de Entrada =f Frecuencia Angular f Frecuencia los voltajes línea a línea correspondientes son: vcn = Vmsenωt + (3) 3 vab = van vbn = 3V msenωt + (4) 6 vbc = vbn vcn = 3V msenωt (5) vca = vcn van = 3V msenωt + (6) el voltaje promedio de salida se determina a partir de: 3 3V m V cd = cos( α ) (7) El valor rms del voltaje de salida se determina a partir de: V rms = V m + cos( α ) 4 (8) 1

4 109 B. Simulación del Convertidor Trifásico Completo Para llevar a cabo este análisis se utilizó el software PSPICE 5.3 para la simulación del circuito. La primera opción que se utilizó fue la de Schematics para desarrollar el circuito como se muestra en la Figura. Figura. Diagrama del Convertidor Trifásico Completo Para la Simulación en PSpice. Después se utilizó la opción Setup que se encuentra en el submenú Análisis, ahí se escogieron las opciones de Temperatura y Análisis Transitorio. La Tabla 1 muestra los parámetros de los elementos utilizados para la simulación del convertidor trifásico completo. Donde podemos observar también que: V m = V, f=60hz, hay un desfasamiento de 10 0 entre cada voltaje de línea a neutro y que el primer pulso comienza en V G1 = /6+=/= ms.

5 110 TABLA I Convertidor Trifásico Completo ** Analysis setup ** tran 100us 0.05s 100us Análisis de Transiente Van 01 n SIN( ) Voltaje Van Vbn 0 n SIN ( ) Voltaje Vbn Vcn 03 n SIN ( ) Voltaje Vcn X N577 Tiristor X1 X N577 Tiristor X4 X N577 Tiristor X3 X N577 Tiristor X6 X N577 Tiristor X5 X N577 Tiristor X R L Resistencia de carga R L L mH Inductor L VG PULSE ( ms tiristor X1 VG PULSE ( ms tiristor X3 VG PULSE ( ms tiristor X5 VG PULSE ( ms tiristor X VG PULSE ( ms tiristor X6 VG PULSE ( ms tiristor X4 R k Resistencia de protección R1 R k Resistencia de protección R3 R k Resistencia de protección R5 R k Resistencia de protección R4 R k Resistencia de protección R6 R k Resistencia de protección R C u Capacitor de protección C1 C u Capacitor de protección C3 C u Capacitor de protección C5 C u Capacitor de protección C4 C u Capacitor de protección C6 C u Capacitor de protección C V dc (0) Fuente de voltaje V 10 para medir la corriente aplicada TEMPERATURE DEG C Temperatura Las formas de onda obtenidas de la simulación para un ángulo de disparo =60 0 y una carga R=10 ohms y L=1.5mH se muestran en la Figura3:

6 111 Figura 3. Formas de Onda Para una Carga RL y =60 0.a) Voltaje de entrada. b) Pulso aplicado a la compuerta del tiristor. c) Voltaje de salida. d) Corriente de salida. III. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO Se pudo comprobar en la teoría como en la simulación que al medir la corriente de salida con una carga altamente inductiva esta corriente es continua y al medir esta misma corriente para una carga RL con el inductor no muy grande la corriente varía, también se comprobó que este convertidor funciona en dos cuadrantes ya que la polaridad del voltaje de salida puede ser positiva o negativa dependiendo del ángulo de disparo pero la polaridad de la corriente de salida siempre es positiva. También se comprobó que el máximo voltaje promedio de salida (V cd ) ocurre cuando el ángulo de retraso =0, en =/ V cd =0 y V cd toma su valor mínimo cuando = y debido a esto los parámetros de rendimiento del convertidor dependen del ángulo de disparo. En un futuro se planea armar el circuito físicamente y comprobar todo lo anterior. REFERENCIAS [1] John Q. Attla, PSpice and Matlab for electronics and integrated approach, CRC Press, pp [] Muhammad H. Rashid, Electrónica de potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones, a. ed., Prentice Hall, pp [3] Ned Mohan, Tore M. Undelan, William P. Robbins, Power Electronics, a. ed., Editorial John Wiley y Sons Inc., pp [4] William H. Hayt, Jr., Jack E: Kemmerly, Steven M. Durbin, Análisis de circuitos en ingeniería, 6a. ed., McGraw-Hill, pp