TEMA 4 Convertidores alterna-continua Lección 9: Introducción Lección 10: Rectificadores monofásicos Lección 11: Rectificadores trifásicos

TEMA 4 Convertidores alterna-continua Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda 10.2 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 cuadrantes 10.3 Puesta en serie de rectificadores monofásicos 10.3.1 Convertidor monofásico en serie 10.4 Funcionamiento en modo inversor no autónomo 10.5 Generación de señales de gobierno

Convertidor de 1 cuadrante Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de media onda, carga resistiva uE D iS uE R uS uS iS Potencias bajas Tensiones de salida bajas pS Se utiliza para potencias bajas (armónicos de entrada), para tensiones de salida relativamente bajas (el valor medio de continua es bajo). uS Valores medios de tensión, corriente y potencia: Convertidor de 1 cuadrante iS Carga resistiva

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de media onda, carga resistiva uE uS Valores eficaz de salida: iS pS Valores eficaz de salida de la componente alterna: Valor eficaz del primer armónico de tensión:

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de media onda, carga resistiva uE uS Potencia total de salida (aparente): iS pS Factor de forma: Factor de cresta Factor de rizado

Convertidor de 2 cuadrantes Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de media onda, carga inductiva uE L iS D uL uS uE R iS uS β uL La corriente de salida, iS, no tiene la misma forma que la tensión de salida, uS. pS En permanente, el área positiva de la tensión en la bobina es igual al área negativa. Es un convertidor de dos cuadrantes. Valor medio de tensión uS Convertidor de 2 cuadrantes iS Menor que en el caso de carga resistiva

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda 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? L uE iS D uL uE R uS uS iS Hay que resolver la ecuación diferencial, para calcular la corriente T donde

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda 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? L uE iS D uL uE R uS uS iS Cuando debe cumplirse T Esta ecuación debe ser calculada numéricamente

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga resistiva uE D1 D2 iS uE uS uS R iS D3 D4 pS

+ + + - - - Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga resistiva uE + + D1 D2 iS + uE uS uS R - iS - - D3 D4 pS

- + - + + - Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga resistiva uE - + D1 D2 iS - uE uS uS R + iS + - D3 D4 pS

Convertidor de 1 cuadrante Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga resistiva uE D1 D2 iS uE uS uS R iS D3 D4 pS Potencias altas, Tensiones de salida altas Se utiliza para potencias altas (sin armónicos de entrada), para tensiones de salida altas (el valor medio de continua es mayor que en RMO). uS Convertidor de 1 cuadrante Valores medios de tensión, corriente y potencia: iS Carga resistiva

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga resistiva uE Valores eficaz de salida: uS iS Valores eficaz de salida de la componente alterna: pS Valor eficaz del primer armónico de tensión:

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga resistiva uE uS Potencia total de salida (aparente): iS Factor de forma: Factor de cresta pS Factor de rizado

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga inductiva D1 D2 iS L 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. uL uS uE R uR D3 D4 230 VRMS 50 Hz

= + Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga inductiva D1 D2 iS L A la salida del rectificador la forma de onda de tensión es conocida. uL uS uE R uR D3 D4 Descomponiendo en series de Fourier: + = 17.0V 10.8V Tomando el primer armónico (simplificación) 7.20V

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga inductiva D1 D2 iS L A la salida del rectificador la forma de onda de tensión es conocida. uL uS uE R uR D3 D4 Puede resolverse por superposición (Fourier) DC AC (Aproximación del primer armónico) uS uS

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga inductiva DC uS AC (Aproximación del primer armónico) uS

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.1 Rectificadores no controlados de media y doble onda Circuito de doble onda, carga inductiva 17,0V 7,20V 90º 82,3º 1,08A 1,30A

Convertidor de 1 cuadrante Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador controlado de media onda. Carga resistiva iS uE S uE R uS uS iS Potencias bajas, tensiones de salida bajas pS Se utiliza para potencias bajas (armónicos de entrada), para tensiones de salida relativamente bajas (el valor medio de continua es bajo). α uS Convertidor de 1 cuadrante Valores medios de tensión, corriente y potencia: iS

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador controlado de media onda. Carga resistiva uE USDC uS α iS Valor eficaz de salida: pS α

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador controlado de media onda. Carga resistiva uE uS iS Potencia total de salida (aparente): pS Factor de forma: Factor de cresta α Factor de rizado

Convertidor de 1 cuadrante Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador controlado de media onda. Carga resistiva iS uE S uE R uS uS iS Potencias bajas, tensiones de salida bajas pS α uS Convertidor de 1 cuadrante Valores medios de tensión, corriente y potencia: iS

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador controlado de media onda. Carga inductiva iS uE L S uL uS uE R uR uS iS Potencias bajas, tensiones de salida bajas uL pS α

Convertidor de 2 cuadrantes Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador controlado de media onda. Carga inductiva uE Valor medios de tensión. uS Entre  y  funciona en modo rectificador, inyectándose potencia en la carga. Entre  y  funciona en modo inversor, devolviendo potencia a la entrada. iS uL En permanente, el área positiva de la tensión en la bobina es igual al área negativa. Es un convertidor de dos cuadrantes. pS uS Convertidor de 2 cuadrantes α iS

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador semicontrolado de onda completa. Carga resistiva uE S1 S2 iS R uE uR uS uS iS D2 D1 pS α

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador semicontrolado de onda completa. Carga resistiva uE S1 S2 iS R uE uR uS uS iS D2 D1 pS Entre 0 y , no circula corriente. α

Convertidor de 1 cuadrante Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador semicontrolado de onda completa. Carga resistiva uE S1 S2 iS R uE uR uS uS iS D2 D1 pS Entre 0 y , no circula corriente. Entre  y , circula corriente proporcional a uE α Valor medio de tensión. Convertidor de 1 cuadrante iS

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador semicontrolado de onda completa. Carga fuertemente inductiva uE S1 S2 iS L uL DLC uE uS uS R uR D2 D1 iS S1 S2 iS pS El ángulo de disparo es el mismo para ambas ramas. DLC es el diodo de libre circulación; luego se explica para qué sirve. α uE uS DLC D2 D1

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador semicontrolado de onda completa. Carga fuertemente inductiva uE S1 S2 iS DLC uE uS uS D2 D1 iS pS El ángulo de disparo es el mismo para ambas ramas. α

+ + + - - - Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador semicontrolado de onda completa. Carga fuertemente inductiva + + uE + iS S1 S2 DLC uE uS uS - - - D2 D1 iS Intervalo α<t<π pS El ángulo de disparo es el mismo para ambas ramas. S1 conduce, D1 conduce α Puede considerarse la corriente por la carga constante.

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador semicontrolado de onda completa. Carga fuertemente inductiva uE iS S1 S2 DLC uE uS uS D2 D1 iS Intervalo π<t<π+α pS El ángulo de disparo es el mismo para ambas ramas. S1 apagado, D1 no conduce α 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. En ese instante, DLC conduce, y la corriente por S1 se anula (el tiristor se apaga, y S1 y D1 quedan polarizados inversamente).

+ + - + - - Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador semicontrolado de onda completa. Carga fuertemente inductiva + + uE - S1 S2 iS uE DLC uS uS + - - D2 D1 iS Intervalo π+α<t<2·π pS El ángulo de disparo es el mismo para ambas ramas. S2 conduce, D2 conduce α Caso igual que el primero, pero por la otra rama del inversor.

Convertidor de 1 cuadrante Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador semicontrolado de onda completa. Carga fuertemente inductiva uE iS S1 S2 DLC uE uS uS D2 D1 iS Intervalo 2·π<t<2·π+α S2 apagado, D2 no conduce pS El ángulo de disparo es el mismo para ambas ramas. α Caso idéntico al segundo subintervalo. El diodo de libre circulación conduce la corriente por la carga. Convertidor de 1 cuadrante iS

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador semicontrolado de onda completa. Carga fuertemente inductiva uE Valor medio de tensión de salida: uS Valor medio de potencia de salida: iS Valor eficaz de tensión de salida: pS El ángulo de disparo es el mismo para ambas ramas. DLC es el diodo de libre circulación; luego se explica para qué sirve. α Potencia total de salida:

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Ejemplo 3: Control 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. S1 S2 iS R uE uE1 uS uR 125/15 60Hz D2 D1 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? El ángulo de disparo es el mismo para ambas ramas. DLC es el diodo de libre circulación; luego se explica para qué sirve. El control no está aislado porque ambos tiristores comparten el cátodo.

Convertidor de 2 cuadrantes Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador totalmente controlado de doble onda Carga fuertemente inductiva uE Control Disparos simultáneos de ramas S1S4 y S2S3 iS iE uS S1 S2 L uL uE uS R uR iS S3 S4 Cada una de las parejas de tiristores S1 y S4, S2 y S3 deben dispararse simultáneamente. iE uS Control Convertidor de 2 cuadrantes pS α Potencias medias; Control complejo. iS

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador totalmente controlado de doble onda Carga fuertemente inductiva iE uE S1 S2 iS uE uS uS S3 S4 iS iE pS α

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador totalmente controlado de doble onda Carga fuertemente inductiva iE uE S1 S2 iS uE uS uS S3 S4 Intervalo α<t<π iS S1 y S4 conducen Puede considerarse la corriente por la carga constante. iE Modo de Rectificación pS α

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador totalmente controlado de doble onda Carga fuertemente inductiva iE uE S1 S2 iS uE uS uS S3 S4 Intervalo π<t<π+α iS S1 y S4 conducen Siguen conduciendo, porque la corriente por ellos NO se anula. Cada una de las parejas de tiristores S1 y S4, S2 y S3 deben dispararse simultáneamente. iE Modo de Inversión (potencia de salida negativa, lo que implica que el equipo entrega potencia a la fuente primaria) pS α

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador totalmente controlado de doble onda Carga fuertemente inductiva iE uE S1 S2 iS uE uS uS S3 S4 Intervalo π+α <t<2·π iS S2 y S3 conducen Cada una de las parejas de tiristores S1 y S4, S2 y S3 deben dispararse simultáneamente. 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. iE pS α Modo de Rectificación

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador totalmente controlado de doble onda Carga fuertemente inductiva uE Valor medio de salida uS US<DC> α iS Potencia continua de salida: iE pS Valor eficaz de salida: α

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador totalmente controlado de doble onda Carga fuertemente inductiva Valor eficaz de la componente alterna: uE uS Potencia de salida (activa) Factor de Forma iS iE Factor de cresta pS α Factor de rizado

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Ejemplo 4: Control Repítanse los cálculos anteriores para el caso en que la carga sea solamente resistiva. iS iE S1 S2 uE uS R S3 S4 Control

Convertidor de 4 cuadrantes Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador monofásico de 4 cuadrantes (dual) Carga: motor DC iS1 LR/2 LR/2 iS2 uS S1 S2 S5 S6 L uS uE uS1 iS uS2 uE iS R S3 S4 S7 S8 E0 Convertidor de 4 cuadrantes Jugando con los disparos de los rectificadores controlados de doble onda, podemos controlar tanto el signo de la tensión como el de la corriente en la carga. Con este montaje podemos invertir la corriente y la tensión de salida a voluntad. Para que el sistema funcione correctamente es imprescindible poner una bobina LR, que absorba las diferencias de tensión entre las salidas de los rectificadores. Motor de continua 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. Suponemos iS continua

Lección 10: Rectificadores monofásicos uE 10.2 Rectificadores controlados Rectificador monofásico de 4 cuadrantes (dual) uR uS1 LR/2 LR/2 α iR S1 S2 S5 S6 L uS uS2 uE uS1 iS uS2 uE R π-α S3 S4 S7 S8 E0 La entrada a los rectificadores es la misma, uE. La corriente por el motor se supone constante. Los ángulos de disparo se escogen α y π-α, en ambos rectificadores, para que un convertidor sea rectificador y el otro inversor, y además que la tensión promedia a la salida sea la misma (de este modo, la tensión promedio en la bobina limitadora LR es nula). Así, se obtienen las tensiones uS1 y uS2. Carga: motor DC Valor medio de salida

Lección 10: Rectificadores monofásicos uE 10.2 Rectificadores controlados Rectificador monofásico de 4 cuadrantes (dual) uR uS1 LR/2 LR/2 α iR S1 S2 S5 S6 L uS uS2 uE uS1 iS uS2 uE R π-α S3 S4 S7 S8 E0 uR La diferencia de ambas tensiones es la tensión en la bobina limitadora, LR. La corriente por la bobina limitadora se obtiene integrando la tensión. Esta corriente debe tenerse en cuenta a la hora de dimensionar los tiristores (hay que sumarla a la corriente de línea). uS iS α iR π-α

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Rectificador monofásico de 4 cuadrantes (dual) 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.

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.2 Rectificadores controlados Ejemplo 5: 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. iS1 LR/2 LR/2 iS2 S1 S2 S5 S6 L uS uE uS1 iS uS2 uE R S3 S4 S7 S8 E0

Convertidor de 2 cuadrantes Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.3 Puesta en serie de rectificadores Conexión serie de convertidores totalmente controlados monfásicos Aplicaciones de alta tensión S1 S2 Operación simultánea de ambos convertidores. uS1 Modo Rectificador: Convertidor 1: Rectificador con 1=0 (máxima tensión positiva). Convertidor 2: 2, variable (0<2<) S3 S4 uS uE S5 S6 Modo Inversor: Convertidor 2: Inversor con 2= (máxima tensión negativa). Convertidor 1: 1 variable (0<1<). uS2 uS S7 S8 Convertidor de 2 cuadrantes

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.3 Puesta en serie de rectificadores uS1 Conexión serie de convertidores controlados Modo rectificador uS2 α S1 S2 iE1 uS uS1 iE S3 S4 uS uE iE1 S5 S6 iE2 α iE2 uS2 iE S7 S8

Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.3 Puesta en serie de rectificadores uS1 α Conexión serie de convertidores controlados Modo rectificador uS2 S1 S2 iE1 uS uS1 iE S3 S4 uS uE iE1 α S5 S6 iE2 iE2 uS2 iE S7 S8

Potencia entregada a la fuente Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.4 Inversor no autónomo Inyección de energía en la red. uE iS1 S1 S2 uS L uS iE uE iS R S3 S4 E0 Potencia entregada a la fuente 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.

GENERADOR DIENTE SIERRA Lección 10: Rectificadores monofásicos 10.5 Generación de señales de gobierno de los tiristores Generación de pulsos uT uG GENERADOR DIENTE SIERRA uSC COMPARADOR LÓGICA uE uE1 uC uE1 El generador en diente de sierra puede estar constituido por un rectificador de doble onda, un comparador con cero y un integrador. uT uC Variando el valor de uC se varía el ángulo de disparo, . Obtener otra señal de puerta en el semiperiodo negativo es muy sencillo. uSC uG α Hay circuitos integrados específicos como el TCA780.

Lección 10: Rectificadores monofásicos 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. S1 S2 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. S3 S4 Se necesitan al menos tres fuentes aisladas para alimentar el control.

Lección 10: Rectificadores monofásicos Problema 1 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)). L=1mH S1 S2 uS 230VRMS 50Hz uE R=10Ω C=1µF S3 S4

Lección 10: Rectificadores monofásicos Problema 2 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? S1 S2 D3 E=10V uS1 D1 D2 uS L=∞ S3 S4 uS2 R=10Ω S5 S6