rectificacion controlada

TEMA 6 : Rectificadores Controlados

TEMA 6: Rectificadores Controladosndice6.1.- Introduccin. ....................................................................................................................................................... 1 6.2.- Rectificadores tipo P o de media onda con tiristores. ........................................................................................ 2 6.2.1.- Rectificador P3 controlado. ....................................................................................................................... 2 6.2.2.- Generalizacin a N fases. Estudio de tensin y corrientes. ...................................................................... 6 6.2.3.- Alimentacin de una carga R, L. ............................................................................................................. 14 6.2.4.- Alimentacin de una carga R, L, E.......................................................................................................... 18 6.2.5.- Efectos al aadir un diodo volante. ......................................................................................................... 21 6.3.- Rectificadores tipo P.D. y P.D. mixtos. ............................................................................................................ 22 6.3.1.-Rectificador P.D.3 con tiristores. .............................................................................................................. 22 6.3.2.- Generalizacin a N fases. ....................................................................................................................... 25 6.3.3.- Cada de tensin en funcionamiento normal. .......................................................................................... 29 6.3.4.- Rectificador P.D.3 mixto.......................................................................................................................... 32 6.3.5.- Generalizacin a N fases para el rectificador P.D. mixto: ....................................................................... 33 6.3.6.- Cada de tensin en el rectificador P.D. Mixto. ....................................................................................... 35 6.4.- Rectificadores tipo S y S mixtos. ..................................................................................................................... 37

6.1.- Introduccin.En los circuitos rectificadores se pueden sustituir, total o parcialmente, a los diodos por tiristores, de forma que se pueda obtener un sistema de rectificacin controlada o semicontrolada. Estos sistemas permitirn la regulacin del valor medio de la tensin en la carga. La sustitucin del diodo por el tiristor permite retardar la entrada en conduccin del mismo, lo cual ocurre no slo cuando la tensin entre sus bornes es positiva, sino cuando, siendo positiva se inyecta un pulso de cebado a la puerta del tiristor. El parmetro fundamental en estos rectificadores con tiristores ser el ngulo de retardo , de forma que un tiristor conduce con un retardo de tiempo /w con relacin al instante en el cual conducira el diodo al que ha sustituido. Los rectificadores con tiristores utilizan los mismos esquemas que los rectificadores con diodos, si bien aqu hay que distinguir entre dos tipos: a.- Rectificadores semicontrolados. Formados por tiristores y diodos. b.- Rectificadores totalmente controlados. Formados nicamente por tiristores. Dada la similitud entre los rectificadores con tiristores y los rectificadores con diodos utilizaremos resultados anteriormente deducidos (Tema 2). Para distinguir las magnitudes cuando se pasa de los montajes con diodos a tiristores utilizaremos la prima (') para referirnos a los montajes con tiristores. El principio de funcionamiento consiste en disparar los tiristores con un cierto ngulo respecto del punto de conmutacin natural o paso por cero de la seal de entrada. Con ello se consigue aplicar la tensin de la fuente sobre la carga un tiempo variable, que depende del momento del disparo y por tanto se conseguir variar los valores medios y eficaces de la tensin en la carga. Dependiendo del tipo de carga, se deber analizar el tipo de impulso de cebado del tiristor. Para las cargas con componente inductiva, la corriente en la carga, y por tanto en el tiristor, no variar bruscamente, con lo que se tardar un cierto tiempo en alcanzar la corriente de enclavamiento del tiristor. As se deber mantener la excitacin de puerta hasta que el tiristor alcance la plena conduccin. En esta circunstancia ser ms adecuado el uso de un tren de impulsos de larga duracin, evitando prdidas en el tiristor. En el caso de cargas poco inductivas, se deber tener en cuenta el di/dt, con el fin de no sobrepasar los niveles mximos de cada tiristor.

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Introduccin a la Electrnica de Potencia La conmutacin se producir de manera natural ante la existencia de un impulso de cebado, si la tensin Vak>0. En cuanto al bloqueo de los tiristores en un montaje rectificador, este se producir de manera natural, al anularse la corriente en el circuito, o bien cuando se dispare otro tiristor, y se polariza inversamente el que conduca, lo que produce un bloqueo forzado. En este caso los problemas de tiempo de bloqueo no son importantes cuando se trabaja a frecuencias bajas (bloqueo esttico).

6.2.- Rectificadores tipo P o de media onda con tiristores.Este tipo de montaje se refera a la rectificacin mediante q tiristores de un sistema de q tensiones alternas suministradas por una fuente conectada en estrella. Aunque este tipo de montaje , al igual que con diodos, no es el ms utilizado, nos permite presentar diversos problemas de manera ms sencilla.

6.2.1.- Rectificador P3 controlado. Es el montaje ms sencillo para los rectificadores alimentados con la red trifsica. Como en cada fase hay un solo semiconductor, ste deber de ser un tiristor, no habiendo montajes de media onda semicontrolados. El esquema de este rectificador se muestra a continuacin. Recordando el funcionamiento de este rectificador para el caso de diodos, se obtena que la tensin de salida corresponda en cada instante a la tensin de mayor valor. Al ser la red trifsica las tensiones de entrada estn desfasadas 2 /3, entonces cada diodo conduca un tercio del periodo (2/3). De esta forma se obtenan los siguientes intervalos de conduccin: 5 Para wt VR V1 es la mayor de las tensiones : D1 ON 6 6 5 9 Para wt VS V2 es la mayor de las tensiones : D2 ON 6 6 9 13 Para wt VT V3 es la mayor de las tensiones : D3 ON 6 6 Ahora el tiristor T1 sustituye al diodo D1, si es cebado con un ngulo de disparo , T1 conducir en el siguiente intervalo:Para 5 ' + siendo U d = V1 que es la mayor de las tensiones : T1 ON 6 6 5 9 ' Para + siendo U d = V2 que es la mayor de las tensiones : T2 ON + wt 6 6 9 13 ' Para + wt + siendo U d = V3 que es la mayor de las tensiones : T3 ON 6 6 + wt VR

Veamos a continuacin la forma de la tensin a la salida Ud' y la tensin en bornes del tiristor T1 para diferentes ngulos de conduccin:

carga T1

VS

T2VT

T3


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Examinando las formas de onda anteriores, observamos como el paso de V1 por encima de Ud marca el origen del retardo para el tiristor T1. Segn sea mayor o menor a 90, la transferencia de energa entre la entrada y la salida cambiar de signo. Analicemos los distintos casos:


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Introduccin a la Electrnica de Potencia 0 se producir un retraso y por tanto una regulacin de la tensin de la I.T.T.(S.E.) - Universitat de Valncia Curso 06/07 -22-

TEMA 6 : Rectificadores Controlados salida. Suponiendo una carga resistiva, podrn darse dos casos segn el ngulo de cebado, dando lugar a la conduccin continua o discontinua. Veamos a continuacin el esquema de dicho rectificador y las formas de onda ms significativas para ambos modos de funcionamiento. Veamos a continuacin las formas de onda correspondientes a un ngulo de cebado entre /6 y /2 de forma que cada tiristor conduce hasta que se ceba el siguiente de su mismo grupo. La tensin del grupo con ctodos unidos la representamos como V+ y la del grupo de nodos unidos como V-.

Veamos ahora como la tensin de salida est formada por la diferencia entre la tensin de cada uno de los grupos.


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Introduccin a la Electrnica de Potencia En cuanto a las corrientes, veamos la secuencia de funcionamiento de los tiristores en la siguiente figura:

Hasta aqu hemos visto al montaje rectificador P.D.3 con tiristores trabajando en modo rectificador, veamos las formas de onda caractersticas trabajando en modo inversin para lo cual el ngulo de cebado estar entre /2 y . Ahora cada tiristor se apagar al pasar por cero la diferencia de tensiones entre las fases en conduccin, al anularse la corriente en la carga, anulndose la tensin en la carga hasta el disparo del siguiente tiristor de su grupo, momento en el que se reiniciar la conduccin si el disparo es mantenido.


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6.3.2.- Generalizacin a N fases. Denominamos las q tensiones alternas de la siguiente forma: q 3 (q=3 red trifsica) q 3 2. v 2 V m , wt V m. sin wt v 1 V m , wt V m. sin( wt) q 2. . v q V m , wt V m. sin wt ( q 1) q A.- Tensin Rectificada: Al rectificar q tensiones de perodo T y al conducir dos tiristores a la vez, el que tenga el nodo ms positivo y el que tenga el ctodo ms negativo., la tensin de salida constar de 2q arcos de senoide por perodo, siendo su perodo de T/2q. Cada tiristor conducir 2/q del ciclo total, as el intervalo de conduccin del tiristor T1 est dadoT T 2q

v 3 V m , wt

V m. sin wt

4. q

por: 4

2 q 2 q Para el caso de red trifsica q=3 veamos los intervalos de conduccin de las parejas de tiristores y la tensin de salida compuesta a tramos :4 2q

< t - 2/q, hay superposicin de las conducciones del tiristor y de diodo unidos al mismo borde secundario, ocasionando por tanto la aparicin de intervalos con u'd nula. Por perodo T/q la tensin de salida u'd est formada por un arco de senoide y un segmento de valor nulo.

6.3.5.- Generalizacin a N fases para el rectificador P.D. mixto:


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Introduccin a la Electrnica de Potencia

La tensin de salida rectificada u d se obtiene como suma de las cuspides de las tensiones de entrada:u d V m , wt , a 1 V m , wt , a 2 V m , wt , b 1 V m , wt , b 2 V m , wt , c 1 V m , wt , ... + c 2 V m , wt , d 1 V m , wt , d 2 V m , wt , e 1 V m , wt , e 2 V m , wt , ... + f 1 V m , wt , f 2 V m , wt , wt 0 , 0.01 .. 13. 62

6

u d 1 , wt ,

8

1

u d 1 , wt ,

2 0

1 0 1 2 3 wt 4 5 6 7

Para este montaje mixto, podemos calcular el valor medio de la tensin a la salida , descomponiendola como la tensin que proporcione el grupo con tiristores (rectificador tipo P controlado) menos la tensin que proporciona el grupo con diodos (rectificador tipo P con diodos) do VM V0MED

VN

V0

MED

Resultando la tensin media Udo de salida igual a:U do q , V m , . q. cos ( ) V m. sen V m. sen q q q. . ( 1 cos ( ) ) U do q , V m , V m. sen q q. U do_PD q , V m do q , V m , q. V m. sen q

Valor medio de un rect. P.D. no controladocos ( ) )

U do_PD q , V m . ( 1

Veamos la variacin de la tensin media de salida con el ngulo de cebado:1.654

0,

20

..

U do ( q , 1 , ) 0.827

Variacin de U'do con donde para > /2 no existe inversin ----> Montaje no reversible

0 0 90 180

. 180


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Veamos la variacin de U'do/Udo e I's/Is en funcin deU do q , V m, U do_PD q , V m do q , V m, . (1 V m. sen q q. V m. sen q q. U do_PD q , V m . 1 cos ( ) 2 Id 1 Vm 1 cos ( ) ) sB2 I d , I d. 1 2 q 0, 20 ..

sB1 I d ,

I d.

Para q=3 (sistema trifsico)1

sB2 I d , Id sB1 I d , Id do q , V m , U do_PD q , V m

0.5

0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

. 180

6.3.6.- Cada de tensin en el rectificador P.D. Mixto. Distinguiremos entre los dos tipos de formas de onda pues determinan los distintos intervalos de conduccin con solape o sin solape, para determinar la cada de tensin debida al proceso de conmutacin con carga inductiva. * Para < -2/q La transferencia de la corriente Id de una fase a otra cuando est cebado un tiristor, se efecta como en el rectificador de media onda con tiristores, donde obtuvimos las siguientes expresiones:

cos( ) cos( + ' ) =

Lc w I d Vm sen q

1 (VM V0 ) =

q L w Id 2 c

De igual forma, la transferencia de Id de una fase a otra cuando un diodo est conduciendo se hace como en un rectificador de media onda con diodos, donde se obtuvieron las siguientes expresiones:

Lc w I d Vm sen q q 1 (V0 VN ) = L w Id 2 c 1 cos( ) =

Al ser las dos cadas independientes de , la cada total ser la suma de las dos:


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Introduccin a la Electrnica de Potencia

1U 'd =

q

Lc w Id

Veamos a continuacin las formas de onda asociadas a esta cada de tensin:

* Para > -2/q No se pueden evaluar las cadas por separado. As durante la conmutacin T1 a T2 conduce el diodo D1. La tensin de conmutacin es an V2-V1. Esta debe de hacer pasar IS1 de cero a -Id e IS2 de +Id a cero; las variaciones que producirn son las mismas que para pequeos, pero la cada de tensin es ahora V2-V1 y no (V2-V1)/2 ya que mientras T1 y D1 conducen la tensin de salida u'd es nula. Las conmutaciones entre tiristor-tiristor producen una cada de tensin media doble, e igual a : (q/)LcwId. Durante la conmutacin D3-D1 conduce T1. La tensin de conmutacin es V3-V1 y debe hacer pasar IS3 de -Id a cero e IS1 de +Id a cero. Las variaciones de corrientes a producir son las mismas que para pequeos, con el mismo ngulo de superposicin que en el caso anterior. Sin embargo la conduccin simultnea de D1 y T1 hace u'd nulo y el hecho de que D3 siga conduciendo no cambia el valor de u'd, no provocando cada de tensin las transiciones diodo-diodo. Por tanto la cada de tensin total es la misma que para pequeos. Veamos a continuacin las formas de onda que caracterizan este proceso. En cuanto a las dems cadas de tensin resultarn de igual consideracin y formulacin que en los rectificadores tipo P.D. totalmente controlados.


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6.4.- Rectificadores tipo S y S mixtos.La sustitucin de la fuente conectada en estrella por una fuente conectada en polgono que suministra las mismas tensiones alternas, no modifica ni el funcionamiento de los semiconductores, ni la tensin rectificada. Al tener la fuente conectada en polgono, el funcionamiento de los semiconductores es el mismo tanto si las tensiones entre sus bornes son generadas en forma de tensiones compuestas o en tensiones simples. Pudindose tratar como un rectificador P.D. con tensiones de valor eficaz V'en lugar de V, manteniendo entre ellas la siguiente relacin/2 / 2 /q

En lugar de las tensiones : v1 = V 2 sen ( wt )V2

V1 V'12 /q

V'2

v 2 = V 2 sen ( wt 2 / q ) se pueden considerar las tensiones simples v1' , v 2 ' , v 3' ,..., v q 'V3

V'q

V'3

donde segn muestra el diagrama vectorial se cumple:

* Los valores eficaces est n reacionados por : l

V = 2 V ' sen( / q )

* Las tensiones simples est n dsfasadas respecto de las tensiones compuestas del mismo ndice, e en un nguo igual a : lv'1 = V 2

2

q

, resultando:v'2 = 2 sen wt + ,...... 2 sen( / q ) 2 q q V 2

sen wt + 2 sen( / q ) 2 q


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Introduccin a la Electrnica de Potencia Veamos a continuacin la estructura del rectificador S3 con tiristores y las formas de onda ms representativas:


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