tema04 leccion10

Universidad de Oviedo Tema 4: Convertidores Alterna-Continua

TEMA 4 Convertidores alterna-continua

Lección 9: Introducción

Lección 10: Rectificadores monofásicos

Lección 11: Rectificadores trifásicos


10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda10.2 Rectificadores controlados 10.2.1 Circuitos de media onda 10.2.2 Semiconvertidor monofásico 10.2.3 Convertidor monofásico de dos cuadrantes 10.2.4 Convertidor monofásico de cuatro cuadrantes10.3 Puesta en serie de rectificadores monofásicos 10.3.1 Convertidor monofásico en serie10.4 Funcionamiento en modo inversor no autónomo10.5 Generación de señales de gobierno


TEMA 4 Convertidores alterna-continua



10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda

Circuito de media onda, carga resistiva

Potencias bajasTensiones de salida bajas

uEuS

iS

R

D

uE

uS

iS

pS

....t2cos

3

2tsen

21

U)t(u M

S

Tt2T0

2Tt0tsen·U)t(u M

S

uS

Convertidor de 1 cuadrante iS

Valores medios de tensión, corriente y potencia:

M

AVGS

UU

R·

UI M

AVGS

R·

UPP

2

2M

AVGSDCS

Carga resistiva




uE

uS

iS

pS

....t2cos

3

2tsen

21

U)t(u M

S

Tt2T0

2Tt0tsen·U)t(u M

S

Valores eficaz de salida:

Valores eficaz de salida de la componente alterna:

Valor eficaz del primer armónico de tensión:

dtt··cos)t(u·T

2A

T

0S1 dtt·sen·)t(u·

T

2B

T

0S1





uE

uS

iS

pS

....t2cos

3

2tsen

21

U)t(u M

S

Tt2T0

2Tt0tsen·U)t(u M

S

Potencia total de salida (aparente):

Factor de forma: Factor de cresta

Factor de rizado



uS

iS

Convertidor de 2 cuadrantes



Circuito de media onda, carga inductiva

La corriente de salida, iS, no tiene la misma forma que la tensión de salida, uS.

uE

uS

iS

R

D

uE

uS

iS

pS

dt

)t(di·L)t(i·Rt·sen·U S

SM

Valor medio de tensión

cos1··2

UU M

AVGS

L

uL

uL

Menor que en el caso de carga resistiva

β




Ejemplo: Sea el circuito de la figura, donde se conocen L y R.Si uE(t) es senoidal pura, de frecuencia angular ω y de valor máximo UM. ¿A qué ángulo β el diodo deja de conducir?

Hay que resolver la ecuación diferencial, para calcular la corriente

uE

uS

iS

R

D

dt

)t(di·L)t(i·Rt·sen·U S

SM

L

uL

uE

uS

iS

·2

T·

T

sen·et·senZ

U)t(i tg

t

MS

22 L·RZ

R

L·arctg

donde




Ejemplo: Sea el circuito de la figura, donde se conocen L y R.Si uE(t) es senoidal pura, de frecuencia angular ω y de valor máximo UM. ¿A qué ángulo β el diodo deja de conducir?

Cuando

uE

uS

iS

R

D

L

uL

uE

uS

iS

·2

T·

T

0)t(iS

·2

T·t debe cumplirse

sen·e·2

T··sen tg

·2

T··

Esta ecuación debe ser calculada numéricamente




Circuito de doble onda, carga resistiva

uE

uS

iS

R

D1

uE

uS

iS

pS

D2

D3 D4





uE

uS

iS

R

D1

uE

uS

iS

pS

D2

D3 D4

+

-

+

-

+

-





uE

uS

iS

R

D1

uE

uS

iS

pS

D2

D3 D4

-

+

-

+

+

-





Potencias altas, Tensiones de salida altas

uE

uS

iS

R

D1

uE

uS

iS

pS

...t··4cos

15

1t··2cos

3

1

2

1·

U·4)t(u M

S

tsen·U)t(u MS

uS

Convertidor de 1 cuadrante iSValores medios de tensión, corriente y potencia:

D2

D3 D4

M

AVGS

U·2U

R·

U·2I M

AVGS

R·

U·4PP

2

2M

AVGSDCS

Carga resistiva




uE

uS

iS

pS

Valores eficaz de salida:

Valores eficaz de salida de la componente alterna:

Valor eficaz del primer armónico de tensión:

dtt··cos)t(u·T

2A

T

0S1 dtt·sen·)t(u·

T

2B

T

0S1


...t··4cos

15

1t··2cos

3

1

2

1·

U·4)t(u M

S

tsen·U)t(u MS






Factor de rizado


...t··4cos

15

1t··2cos

3

1

2

1·

U·4)t(u M

S

tsen·U)t(u MS

uE

uS

iS

pS




Ejemplo 1:Dado el siguiente rectificador de doble onda con carga inductiva, dibújese durante un periodo la forma de la corriente y de la tensión soportada por los siguientes elementos:1.- La resistencia, R, y la asociación serie R, L.2.- El diodo D1.3.- El secundario del transformador.

A la vista del gráfico, determínese, para la tensión de salida, uS, 1.- Su valor medio y eficaz.2.- La potencia entregada total y la de continua.3.- Los factores de forma, cresta y rizado.4.- Valor mínimo de L para que la corriente no se anule en todo el periodo.

Circuito de doble onda, carga inductiva

uS

iSL

RuR

uL

uE

D1 D2

D3 D4

230 VRMS

50 Hz




A la salida del rectificador la forma de onda de tensión es conocida.


uS

iSL

RuR

uL

uE

D1 D2

D3 D4

Descomponiendo en series de Fourier:

...t··400cos

15

1t··200cos

3

1

2

1·

12·2·4)t(uS

Tomando el primer armónico (simplificación)

t··200·cos2·162·24

)t(uS

+

=

17.0V

10.8V

7.20V




A la salida del rectificador la forma de onda de tensión es conocida.


uS

iSL

RuR

uL

uE

D1 D2

D3 D4

Puede resolverse por superposición (Fourier)

DC AC (Aproximación del primer armónico)

uS uS





DC

AC (Aproximación del primer armónico)

uS

uS





17,0V

7,20V

90º

82,3º 1,08A 1,30A



10.2 Rectificadores controlados

Rectificador controlado de media onda.

Potencias bajas, tensiones de salida bajas

uEuS

iS

RS

uE

uS

iS

pS

·2t0

t·180

·t·sen·U

·180

·t00

)t(u MS

uS



Carga resistiva

α

cos1··2

UU M

DCS 22

2M

2

DCSDCS cos1·

R··4

U

R

UP



Valor eficaz de salida:

uE

uS

iS

pS

α


Rectificador controlado de media onda. Carga resistiva

cos1··2

UU M

DCS

α

USDC





Factor de rizado

uE

uS

iS

pS

α

Rectificador controlado de media onda. Carga resistiva

cos1··2

UU M

DCS







uEuS

iS

RS

uE

uS

iS

pS

·2t0

t·180

·t·sen·U

·180

·t00

)t(u MS

uS



Carga resistiva

α

cos1··2

UU M

DCS 22

2M

2

DCSDCS cos1·

R··4

U

R

UP






uEuR

iS

R

S

uE

uS

iS

pS

·180

·

·2t

·180

·0

t·180

·t·sen·U

·180

·t00

)t(u MS

Carga inductiva

α

uL

L

uS

uL





uE

uS

iS

pS

Carga inductiva

α

uL

Valor medios de tensión.

coscos··2

UU M

DCS

Entre y funciona en modo rectificador, inyectándose potencia en la carga.Entre y funciona en modo inversor, devolviendo potencia a la entrada.

iS


uS




Rectificador semicontrolado de onda completa.

uE

uS

iS

pS

Carga resistiva

α

uEuR

iS

RuS

S1 S2

D2 D1





uE

uS

iS

pS

Carga resistiva

αEntre 0 y , no circula corriente.

uEuR

iS

RuS

S1 S2

D2 D1





uE

uS

iS

pS

Carga resistiva

α

Valor medio de tensión.Convertidor de

1 cuadrante iS

cos1·U

U MDCS 2

2

2M

2

DCSDCS cos1·

R·

U

R

UP

Entre 0 y , no circula corriente.Entre y , circula corriente proporcional a uE

uEuR

iS

RuS

S1 S2

D2 D1





uE

uS

iS

pS

Carga fuertemente inductiva

α

uE

uR

iS

R

uS

S1 S2

D2 D1

uLL

RL·

uE

iS

uS

S1 S2

D2 D1

DLC

DLC





uE

uS

iS

pS


α

RL·

uE

iS

uS

S1 S2

D2 D1

DLC





uE

uS

iS

pS


α

uE

S1 S2

D2 D1

RL·

Intervalo α<t<π

S1 conduce, D1 conduce

Puede considerarse la corriente por la carga constante.

iS

uS

DLC

+

-

+

-

+

-





uE

uS

iS

pS


α

uE

S1 S2

D2 D1

RL·

Intervalo π<t<π+α

S1 apagado, D1 no conduce

DLC es el diodo de libre circulación; se coloca para que la corriente por la carga pueda circular cuando la tensión de entrada es nula.

iS

uS

DLC

En ese instante, DLC conduce, y la corriente por S1 se anula (el tiristor se apaga, y S1 y D1 quedan polarizados inversamente).





uE

uS

iS

pS


α

uE

S1 S2

D2 D1

RL·

iS

uSDLC

S2 conduce, D2 conduce

Caso igual que el primero, pero por la otra rama del inversor.

Intervalo π+α<t<2·π

+

- +

-

+

-





uE

uS

iS

pS


α

uE

S1 S2

D2 D1

RL·

Intervalo 2·π<t<2·π+α

S2 apagado, D2 no conduce

Caso idéntico al segundo subintervalo. El diodo de libre circulación conduce la corriente por la carga.

iS

uS

DLC






uE

uS

iS

pS


α

RL·

cos1·U

t·d·t·sen·U··2

1U M

·2

0

MDCS

Valor medio de tensión de salida:

Valor medio de potencia de salida:

22

2M

2

DCSDCSDCSDCS cos1·

·R

U

R

UI·UP

·2

·2sen·

2

U

t·dt·sen·U1

t·dt·u1

U

M

222M

2SRMSS

Valor eficaz de tensión de salida:

Potencia total de salida:

DCSAVGS PP L




Ejemplo 3:

Dado el siguiente rectificador de doble onda semicontrolado con carga resistiva, dibújese durante un periodo, y en función del ángulo de disparo, la forma de la corriente y de la tensión soportada por los siguientes elementos:1.- La resistencia, R.2.- El tiristor S1 y el diodo D2.3.- El primario del transformador.

uE uR

iS

RuS

S1 S2

D2 D1

uE1

Control

A la vista del gráfico, determínese, para la tensión de salida, uS:1.- Su valor medio y eficaz.2.- La potencia entregada total y la de continua.3.- Los factores de forma, cresta y rizado.¿Por qué el control de ambos tiristores no está aislado?

125/1560Hz

)t·f··2(sen·Uu ME

2·125UM




Rectificador totalmente controlado de doble onda

uE

uS

iS

pS

α

uE

uR

iS

R

uS

S1 S2

S3 S4

Carga fuertemente inductiva RL·

uLL

iE

iE

Control

Control

Potencias medias; Control complejo.

Disparos simultáneos de ramas S1S4 y S2S3

iS


uS





uE

uS

iS

pS

α

uE

iS

uS

S1 S2

S3 S4


iE

iE





uE

uS

iS

pS

α

uE

iS

uS

S1 S2

S3 S4


iE

iE

Intervalo α<t<π

S1 y S4 conducen

Puede considerarse la corriente por la carga constante.

Modo de Rectificación


iEiS




uE

uS

iS

pS

α


iE

Intervalo π<t<π+α

Siguen conduciendo, porque la corriente por ellos NO se anula.

Modo de Inversión (potencia de salida negativa, lo que implica que el equipo entrega potencia a la fuente primaria)

S1 y S4 conducen

uE uS

S1 S2

S3 S4





uE

uS

iS

pS

α


iE

Intervalo π+α <t<2·π

S2 y S3 conducen

Hay una conmutación natural. Al disparar S2 y S3, aparece una tensión inversa sobre S1 y S4, por lo que finalmente, se desactivan. La corriente circula entonces por S2 y S3.

Modo de Rectificación

uE

iS

uS

S2

S3 S4

iES1





uE

uS

iS

pS

α


iE

Valor eficaz de salida:

Potencia continua de salida:

Valor medio de salida

)·cos(U·2

)t·(d)·t·(sen·U·1

U MMAVGS

)(·cosR·

U·4I·UP 2

2

2M

DCSDCSDCS

2

U)t·(d)·t·(sen·U·

1U M

2

22MRMSS

α

US<DC>





uE

uS

iS

pS

α


iE

Valor eficaz de la componente alterna:

2

DCS2

RMSSRMSACS UUU

2

)(·cos8·

UU

22M

RMSACS

Factor de rizado

Factor de Forma

Factor de cresta

Potencia de salida (activa) DCSAVGS PP L




Ejemplo 4:

uE

iS

uS

S1 S2

S3 S4

iE

Control

Control

R

Repítanse los cálculos anteriores para el caso en que la carga sea solamente resistiva.




Rectificador monofásico de 4 cuadrantes (dual)

uEiS

S1

Carga: motor DC

uEuS1 uS2

LR/2LR/2iS1 iS2

R

L

E0

S2

S3 S4

S5 S6

S7 S8

Funcionamiento en los cuatro cuadrantes.Alimentación de motores de continua a velocidad variable.Funcionan de forma simultanea los dos convertidores.Necesita una bobina limitadora de corriente, LR.

uS

iS


Motor de continua

uS

Suponemos iS continua





uEiS

S1

Carga: motor DC

uEuS1 uS2

LR/2LR/2 iR

R

L

E0

S2

S3 S4

S5 S6

S7 S8

uR

uE

uS1

uS2

α

π-α

uS

)·cos(U·2

UU MAVG2SAVG1S

Valor medio de salida


uEiS

S1

uEuS1 uS2

LR/2LR/2 iR

R

L

E0

S2

S3 S4

S5 S6

S7 S8

uR




uE

uS1

uS2

uR

iR

α

π-α

α

π-α

uSiS

uS





•Para trabajar en los cuatro cuadrantes se conectan dos convertidores monofásicos completos “espalda contra espalda”.•Los ángulos de retraso se controlan de tal forma que uno funciona como rectificador y el otro como inversor.•El valor medio de las tensiones de salida de ambos convertidores debe ser el mismo.

•Como la corriente de salida de ambos convertidores no está en fase habrá corriente circulante entre ellos, limitada por una inductancia LR. •Sin corriente circulante funciona solamente un convertidor, estando el otro bloqueado gracias al manejo de las puertas.

•El funcionamiento con corriente circulante presenta una serie de ventajas:•El flujo de potencia es posible en cualquier dirección y cualquier momento de forma independiente de la carga.•La dinámica de cambio de un cuadrante a otro es más rápida.




Ejemplo 5:

uE

S1

uEuS1 uS2

LR/2LR/2iS1 iS2

S2

S3 S4

S5 S6

S7 S8

uS

El convertidor monofásico de la figura se opera con 220V y 50 Hz cuando la resistencia R es de 30 y la inductancia LR/2 es de 50mH.•Calcúlese el valor medio de la tensión a la salida de cada puente completo y el valor medio de tensión en la carga.•Determínese el valor de pico de la corriente circulante y la corriente de pico de uno de los convertidores si el ángulo de disparo del puente formado por S1, S2, S3 y S4 es de 30º.

iS

R

L

E0



10.3 Puesta en serie de rectificadores

Conexión serie de convertidores totalmente controlados monfásicos

Aplicaciones de alta tensión

Modo Inversor:Convertidor 2: Inversor con 2= (máxima tensión negativa).

Convertidor 1: 1 variable (0<1<).

Modo Rectificador:Convertidor 1: Rectificador con 1=0 (máxima tensión positiva).

Convertidor 2: 2, variable (0<2<)

Operación simultánea de ambos convertidores.


uS

uE

S1 S2

S3 S4

S5 S6

S7 S8

uS1

uS2

uS



10.3 Puesta en serie de rectificadores

Conexión serie de convertidores controlados

Modo rectificador

uE

S1 S2

S3 S4

S5 S6

S7 S8

uS1

uS2

uS

uS

uS1

uS2

iE1

iE2

iE

iE1

iE2

iE

α

α



10.4 Inversor no autónomo

Inyección de energía en la red.

uE

S1

iS1

S2

S3 S4

uSiS

R

L

E0

En este tipo de funcionamiento, un puente completo de tiristores se maneja con un ángulo de disparo que debe superar los 90º. El objetivo es inyectar potencia en la red desde una fuente de energía continua (p.e. frenado de motores).Es necesario que la fuente alterna de la salida sea de potencia mucho mayor a la manejada por el inversor para que no se perturbe la onda de tensión.

uS

iE

uE

Potencia entregada a la fuente



10.5 Generación de señales de gobierno de los tiristores

Generación de pulsos

Variando el valor de uC se varía el ángulo de disparo, .

El generador en diente de sierra puede estar constituido por un rectificador de doble onda, un comparador con cero y un integrador.

Obtener otra señal de puerta en el semiperiodo negativo es muy sencillo.

Hay circuitos integrados específicos como el TCA780.

uE uE1

uE1

uT

uC

uC

uT uSCuG

uG

uSC

α

GENERADOR DIENTE SIERRA

COMPARADOR LÓGICA



10.5 Generación de señales de gobierno de los tiristores

Aislamiento de las puertas de los tiristores

El comportamiento de un tiristor entre puerta y cátodo es parecido al de un diodo: Cuando se proporciona el pulso de corriente para el disparo apenas cae tensión.

S1y S2 tienen el cátodo unido. Los pulsos de corriente pueden tener la misma referencia de tensión.

S3 y S4 tienen los cátodos a distinta tensión entre sí y con S1-S2. Los circuitos de disparo no pueden compartir referencia, deben aislarse.

Se necesitan al menos tres fuentes aisladas para alimentar el control.

S1 S2

S3S4



Problema 1

S1 S2

S3S4

Dado el circuito de la figura, determinar la forma de onda de la tensión uS(t) y de la corriente iL(t) en régimen permanente.

¿Cuánto vale la corriente de rizado pico a pico respecto de la tensión media?.(Si es preciso realizar la descomposición armónica, considerar solamente el primer armónico de uS(t)).

uE

uS

L=1mH

R=10ΩC=1µF

230VRMS

50Hz



Problema 2

S1 S2

D1D2

Determinar la tensión media en la carga inductiva cuando el ángulo de disparo de los tiristores es de 30º. Dibujar la forma de onda de la corriente que circula por los semiconductores, en el primario y la tensión de salida de cada puente rectificador.

¿Puede funcionar este circuito como inversor?

¿Cuál sería la potencia máxima manejada en ese caso?

S3 S4

S5 S6

D3

R=10Ω

L=∞

E=10VuS1

uS2

uS

tema04 leccion10

Documents