Download - 4-1 Rectificadores Controlados
Capítulo 4
Los rectificadores controlados reciben este nombre por que utilizan un dispositivo de control, en este caso el tiristor.
Utilizan los mismos montajes que se usan para los no controlados pero sustituyendo los diodos por tiristores parcial o totalmente.
La ventaja de colocar tiristores viene dada por la capacidad de estos de retardar su entrada en conducción, sucediendo esta cuando la tensión en sus bornes sea positiva y además reciba un impulso en su puerta.
El ángulo de retardo es un parámetro fundamental, ya que actuando sobre él es posible hacer variar la relación entre el valor de la tensión rectificada de salida y el valor de las tensiones alternas de la entrada, de ahí el calificativo de “controlados”.
En los rectificadores controlados, por lo tanto, se controla la saturación del tiristor y el bloqueo será natural.
RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA
RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA
Tensión media en la carga
max maxdc max
V V1V V sen t d t cos t 1 cos
2 2 2
maxdc
VV
dcn dc
dc
V 1V 1 cos
V 2
Para =0, la tensión media en la carga será Vdc y su valor:
y el valor normalizado valdrá:
3. 2
RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA
Tensión eficaz en la carga
Para =0, la tensión media en la carga será Vrms y su valor:
y el valor normalizado valdrá:
2 maxrms max
max max
V1 1 cos2 tV V sen t d t d t
2 22
V V1 1 1 t sen2 t sen 2
2 2 22 2
max maxrms
V VV
22
rmsn rms
rms
V 1 1V sen 2
V 2
RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA
Tensión inversa de pico soportada por el tiristor: Esta tensión será la máxima de entrada para /2, por lo tanto:
Corriente media en la carga:
Corriente eficaz en la carga:
maxPIV V
max dcdc max dc
I V1I I sen t d t 1 cos I
2 2 R
2 max rms
rms max rms
I V1 sen2I I sen t d t 1 I
2 2 2 R
RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA
Curva 1: Valor medio de la tensión en la carga
(V’dc), referido al valor medio con ángulo de disparo nulo (Vdc).
Curva 2: Valor eficaz de la tensión en la carga
(V’rms), referido al valor eficaz con ángulo de disparo nulo (Vrms).
Curva 3: Factor de rizado (FR’), referido al factor
de rizado con ángulo de disparo nulo (FR).
ac,rms salida
dc
VFR % 100%
V
RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA
0
-200
-400
200
400
Tension de Entrada (Vs) Corriente Entrada (10*Is)
0
200
400
Tensión en la Carga (VL) Corriente en la Carga (10*IL)
0
-200
-400
200
400
VT I(T1)*10
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Time (s)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G
t0 t1 t2 t0
RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA CON CARGA RL
El tiristor empieza a conducir para ωt = α, que será el retardo que introduzca el circuito de disparo. Esto provoca la circulación de corriente y un voltaje en la bobina y en la resistencia vL y vR respectivamente:
CL S R R C
div L v v v R i
dt
RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA CON CARGA RL
El tiristor empieza a conducir para ωt = α, que será el retardo que introduzca el circuito de disparo. Esto provoca la circulación de corriente y un voltaje en la bobina y en la resistencia vL y vR respectivamente:
CL S R R C
div L v v v R i
dt
Para valores entre y t1, vL es positiva.
Cuando t = t1, vL se hace negativa y la corriente empieza a disminuir.
Para t = t2 la corriente se anula y se cumplirá que A1=A2 (el área A1 es la tensión acumulada en la bobina, y el área A2 será la descarga de tensión de la bobina sobre la resistencia y la tensión de entrada con la carga actuando como generador).
Expresión de la corriente instantánea en la carga: A partir del disparo del tiristor se cumple en el circuito la siguiente ecuación:
Para iC(t=) = 0:
La corriente se anulará para un t2 que cumpla:
CC max
diR i L V sen t
dt
t
max QC
Vi sen t sen e
Z
2 2 2 L LZ R L arcsen Q tg
Z R
2t
Q2sen t sen e
0
-100
-200
100
200
Tension de Entrada (Vs) 15*Is
0
-50
-100
-150
-200
50
100
150
Tension Tiristor (VT) I(THY1)*15
0
-100
100
200
Tensión en la Carga (VL) Tensión en la Inductancia (VLi) Tensión en la Resistencia (VR)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Time (s)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G
t0 t1 t3 t0
RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA, CON DIODO VOLANTE, ALIMENTANDO UNA CARGA RL
Cuando el Tiristor esta conduciendo
C
C C
div R i L
dt
Tensión media en la Carga El hecho de colocar un diodo volante tiene dos grandes ventajas: Prevenir de posibles valores negativos de tensión en la carga. Permitir que el tiristor pase al estado de bloqueo una vez
alcanzada la tensión de secundario valor cero; entonces se deja de transferir intensidad a la carga mediante el tiristor.
maxdc max
0
V1V V sen t d t 1 cos
2 2
0
-100
-200
100
200
Tension de Entrada (Vs) Corriente Entrada (10*Is)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G
0
-50
-100
50
100
150
200
Tensión en la Carga (VL) VR VLi
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Time (s)
0
-100
-200
100
VT
0
-100
-200
100
200
Tension de Entrada (Vs) Corriente Entrada (10*Is)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G
0
2
4
6
8
I(T1)
0
2
4
6
8
I(RL)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Time (s)
0
1
2
3
4
I(D)
t0 t1 t2 t0 t0 t1 t2 t0
Rectificador Controlado Monofásico de Media Onda con Carga RLE
m : relación entre la F.E.M. y
Vmax del secundario m=E/Vmax
y ’: ángulos para los que la tensión en el secundario es igual al valor de la F.E.M. (VmaxSen =E; VmaxSen ’=E)
max
Earcsen arcsen m λ
V
Rectificador Controlado Monofásico de Media Onda con Carga RLE
Debemos aprovechar el momento en que la tensión alterna en el secundario, menos la tensión E de la batería, tenga un valor positivo para aplicar un impulso a la puerta del tiristor y que este pase a conducir. Esto significa que el disparo se ha de
producir entre y ’ para que Vak>0.
Si el disparo se produce antes de que se cumpla esta condición para , y el impulso fuera de corta duración, el tiristor no conduciría.
max max
max max
E EV sen E 0 V sen E sen arcsen
V V
Rectificador Controlado Monofásico de Media Onda con Carga RLE
Si el disparo se produce para un
ángulo de retardo , tal que ’, se cumplirá que: Y de esta ecuación, para iC(t=)=0 obtenemos:
Cmax C
diV sen t E R i L
dt
t
max QC
max
VE E Zi sen t sen e
R Z R V
2 2 2 L LZ R L ; sen arcsen ;
Z Z
LQ tg
R
Rectificador Controlado Monofásico de Media Onda con Carga RLE
Si es el ángulo de conducción, la corriente se anulará para un ángulo t=+= t1, y así se cumplirá que:
1t
2 2 2 Q1 1sen t Qcos t m mQ mQ Q 1 m e
PUENTE RECTIFICADOR MONOFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO
Este tipo de rectificador, con carga RL, trabajará en dos cuadrantes del diagrama tensión-corriente, tal y como se muestra a continuación:
PUENTE RECTIFICADOR MONOFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO
Los tiristores T1 y T4 conducirán durante el semiciclo positivo de la entrada, y los T2 y T3 en el negativo. Eso quiere decir que los tiristores se dispararán de dos en dos con un
ángulo de retardo . Tensión media en la carga:
dc max max
max
2 1V V sen t d t V cos cos
2
V 1 cos
PUENTE RECTIFICADOR MONOFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO
Para =0, la tensión media en la carga será Vdc y su valor: y el valor normalizado de la tensión media valdrá: Tensión eficaz en la carga: Intensidad media en la carga:
maxdc
2VV
dcn dc
dc
V 1V 1 cos
V 2
2 max
rms max
V1 1V V sen t d t sen2
2 22
maxdc
II 1 cos
PUENTE RECTIFICADOR MONOFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO
Intensidad eficaz en la carga: Este valor será √2 veces mayor que el obtenido para el rectificador controlado de media onda. Potencia eficaz en la carga:
maxrms
I sen2I 1
22
2 2
rms max
ac
V V 1P sen2
R 2 R 2
PUENTE RECTIFICADOR MONOFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO
0
-200
-400
200
400
Vs 10*Is
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G1 G2
0
-100
100
200
300
400
VL
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Time (s)
0
-200
-400
200
VD1 VD2
0
-200
-400
200
400
Vs 10*Is
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G1 G2
0
-10
-20
10
20
Is
0
5
10
15
20
I(T1) I(T2)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Time (s)
0
10
20
I(RL)
t0 t1 t2 t3 t0 t0 t1 t2 t3 t0
Estudio para una carga altamente inductiva
Si observamos las formas de onda que se muestran a continuación, podemos ver dos modos de funcionamiento:
Intervalo de a : La tensión y la intensidad del secundario serán positivas, y esto significa que la fuente de alimentación suministra potencia a la carga.
Intervalo de a (+) La tensión en el secundario es negativa y la corriente positiva. Esto quiere decir que la potencia fluye desde el lado de continua al lado de alterna. Para que el sistema trabaje en este modo, es necesaria una fuente de energía en el lado de continua (dinamo-motor), para que sea posible dicho flujo de energía.
Estudio para una carga altamente inductiva
Los dos modos de funcionamiento del rectificador se pueden apreciar en:
Estudio para una carga altamente inductiva
Tensión media en la carga: Corriente media en la carga: Usaremos V’dc/R, o bien:
dc max max
2 2V V sen t d t V cos
2
maxdc
V2I cos
R
Estudio para una carga altamente inductiva
0
-200
-400
200
400
Vs 10*Is
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G1 G2
0
-5
-10
5
10
Is
0
2
4
6
8
I(T1) I(T2)
0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
Time (s)
2
4
6
I(RL)
0
-200
-400
200
400
Vs 10*Is
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G1 G2
0
-200
-400
200
400
VL
0
-200
-400
200
400
VLi VR
0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
Time (s)
0
-200
-400
200
400
VT1 VT2
t0 t1 t2 t0 t0 t1 t2 t0
Estudio para una carga RLE
Como la corriente de salida durante la conducción de T1 y T4 es similar a la que circulará cuando conduzcan T2 y T3, consideraremos solo el
primer caso, que será válido para t (+).
CC max
diL R i E V sen t
dt
R
tmax L
C 1
V Ei sen t A e
Z R
R
22 1 max L1 C0
VL EZ R L ; tg ; A I sen e
R R Z
R
tLmax max
C C0
V VE Ei sen t I sen e
Z R R Z
Estudio para una carga RLE
Si aplicamos a la ecuación la condición iC(t=+)=IC1=IC0, momento en que dejan de conducir los tiristores T1 y T4:
Si queremos saber el valor de cuando se anula IC0, podemos hacerlo por tanteo siempre que sepamos lo que valen R, L, E y VS. Corriente eficaz en los tiristores: Ayudándonos de la ecuación anterior tenemos:
R
L
maxC0 C1 C0R
L
sen sen eV EI I para I 0
Z R1 e
2
CT rms
1I i d t
2
Estudio para una carga RLE
Corriente eficaz en la carga: De la corriente eficaz en los tiristores para un periodo: Intensidad media en los tiristores: Intensidad media en la carga:
2 2
rms T rms T rms T rmsI I I 2I
CT dc
1I i d t
2
dc T dc T dc T dcI I I 2I
Estudio para una carga RLE
0
-200
-400
200
400
Vs 10*Is E
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G1 G2
0
-200
200
400
VL E
0
-100
-200
-300
100
200
VLi VR
0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
Time (s)
0
-200
-400
200
VT1 VT2
0
-200
-400
200
400
Vs 10*Is E
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G1 G2
0
-4
4
Is
0
-2
2
4
6
I(RL)
0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
Time (s)
0
2
4
6
I(T1) I(T2)
t0 t1 t2 t3 t0 t0 t1 t2 t3 t0
Estudio para una carga RL con diodo volante
Tensión media en la carga:
maxdc
VV 1 cos
Estudio para una carga RL con diodo volante Intensidad media en los tiristores: como por cada tiristor circulará
corriente en cada periodo de la tensión de entrada durante un tiempo -, entonces: Intensidad media en el diodo volante: Por el diodo circulará corriente solo
desde t=0 hasta t=, en cada semiciclo de la tensión de entrada:
dcT dcI I
2
dcD dcI I
Estudio para una carga RL con diodo volante
0
-200
-400
200
400
Vs 10*Is
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G1 G2
0
-200
-400
200
400
VL
0
-200
-400
200
400
VLi VR
0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
Time (s)
0
-200
-400
200
400
VT1 VT2
0
-200
-400
200
400
Vs 10*Is
0
0.4
0.8
G1 G2
0
-5
-10
5
10
Is
0
2
4
6
8
I(DV)
0
4
8
I(T1) I(T2)
0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
Time (s)
6
7
8
9
I(RL)
t0 t1 t2 t3 t0 t0 t1 t2 t3 t0
Puente Rectificador Monofásico Semicontrolado O Mixto
Tensión media en la carga:
max maxdc max
V V2V V sen t d t cos cos 1 cos
2
Puente Rectificador Monofásico Semicontrolado O Mixto
Como la tensión máxima de salida se da para =0, donde Vdc = (2Vmax/), el valor normalizado de la tensión en la carga es:
dcn dc
dc
VV 0,5 1 cos
V
Tensión eficaz en la carga:
2 max
rms max
V2 1 sen2V V sen t d t
2 22
0
-200
-400
200
400
Vs 10*Is
0
0.4
0.8
G1 G2
0
200
400
VL
0
-200
200
VLi VR
0
-200
-400
200
400
VT1 VT2
0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
Time (s)
0
-200
-400
VD1 VD2
0
-200
-400
200
400
Vs 10*Is
0
0.4
0.8
G1 G2
0
-10
10
Is
0
5
10
I(RL)
0
4
8
12
I(T1) I(T2)
0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
Time (s)
0
2
4
6
8
I(DV)
t0 t1 t2 t3 t0 t0 t1 t2 t3 t0