Lección 8 Convertidores CA/CC y CA/CA con tiristores Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia 4º Curso. Grado en Ingeniería en Tecnologías y Servicios de Telecomunicación

Convertidores con tiristores Hasta los años 70, la mayor parte de la electrónica de potencia se basaba en el uso de tiristores (especialmente SCRs) como interruptores controlados Con SCRs se diseñaban convertidores CC/CC, CC/CA, CA/CC y CA/CA En la actualidad, en la mayoría de las aplicaciones de electrónica de potencia los interruptores controlados son MOSFETs o IGBTs (a potencias muy altas se siguen utilizando SCRs y GTOs) Nosotros vamos a estudiar los siguientes convertidores basados en tiristores: - Convertidores CA/CC: Rectificadores trifásicos controlados (con SCRs) Rectificadores trifásicos semicontrolados (con SCRs y diodos) - Convertidores CA/CA: Controladores de fase monofásicos (con TRIACs) Introducción

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico no controlado de media onda T [ms] 400 vRvR vSvS vTvT DRDR DSDS DTDT vOvO + - iRiR iTiT iSiS iOiO vRvR vTvT vSvS v O_med vOvO Montaje en cátodo común Ejemplo: V g = 325,3 V (230 V eficaces) Si hay p fases:

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico no controlado de media onda T [ms] 400 vRvR Montaje en cátodo común T [ms] 400 vRvR iRiR iRiR Con carga resistiva Con carga muy inductiva Corriente por una fase

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico no controlado de media onda T [ms] 400 vRvR vTvT vSvS v O_med Montaje en ánodo común vRvR vSvS vTvT D R1 D S1 D T1 vOvO + - iRiR iTiT iSiS iOiO vOvO Ejemplo: V g = 325,3 V (230 V eficaces)

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico no controlado de media onda T [ms] 400 vRvR Montaje en ánodo común T [ms] 400 vRvR Con carga resistiva Con carga muy inductiva Corriente por una fase iRiR iRiR

vOvO vSvS vRvR Convertidores con tiristores Rectificador trifásico no controlado de onda completa vRvR vSvS vTvT D R1 D S1 D T1 D R2 D S2 D T2 VOVO T [ms] vTvT v O_med Ejemplo: V g = 325,3 V (230 V eficaces) v P_0 - + v N_0 - + v O = v P_0 - v N_0 iRiR

Convertidores con tiristores T [ms] 400 vRvR T [ms] 400 vRvR Con carga resistiva Con carga muy inductiva Corriente por una fase Rectificador trifásico no controlado de onda completa iRiR iRiR

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda T [ms] 400 vRvR vTvT vSvS Montaje en cátodo común Ejemplo:  V g = 325,3 V   = 20º vRvR vSvS vTvT TRTR TSTS T vOvO + - iRiR iTiT iSiS iOiO Los diodos se sustituyen por SCRs El disparo de los SCRs se retrasa un ángulo “  ” respecto al cruce de las fases El funcionamiento depende de  y del carácter de la carga vOvO 

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común Cálculo de la tensión media de salida en función del ángulo de retraso  v O_med vOvO  Si hay p fases: ¡¡OJO!! Esta fórmula no es válida si la tensión en la carga queda enclavada en cero

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común Formas de onda de tensión con carga muy inductiva y retrasos moderados T [ms] 400 vRvR vTvT vSvS  = 45º vOvO T [ms] 400 vRvR vTvT vSvS vOvO  = 60º v O_med = 0,5848·V g v O_med = 0,4135·V g

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común Formas de onda de corriente con carga muy inductiva y retrasos moderados T [ms] 400 vOvO  = 20º iRiR iTiT iSiS T [ms] vRvR  = 20º T [ms] vRvR  = 60º iRiR iRiR

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común Formas de onda de tensión y corriente con carga muy inductiva y  = 90º T [ms] 400 vRvR vTvT vSvS v O_med = 0 vOvO T [ms] vRvR  = 90º El valor medio de la tensión es cero No hay potencia activa en la corriente de fase ¿Qué pasa si  > 90º ? ¿Es posible esto? iRiR

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común Formas de onda de tensión y corriente con carga muy inductiva y  > 90º T [ms] 400 vRvR vTvT vSvS T [ms] vRvR  = 120º 0 0 La tensión ha cambiado de signo y la corriente no. ¡¡Hace falta que la carga sea activa!! v O_med = -0,4135·V g vOvO iRiR vOvO v O_med vOvO Pasiva Activa v O_med  = 120º

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común Potencia 0 vOvO v O_med 0 vOvO vRvR vSvS vTvT TRTR TSTS T iRiR iTiT iSiS iOiO vOvO  = 60º 230 V (eficaces) 134,5 V vRvR vSvS vTvT TRTR TSTS T iRiR iTiT iSiS iOiO vOvO v O_med  = 120º 230 V (eficaces) 134,5 V La batería se está cargando: El circuito opera como rectificador La batería se está descargando: El circuito opera como inversor Carga muy inductiva Inversor no autónomo

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común Si 0 <  < 30º, entonces v O es como con carga muy inductiva Si  > 30º, entonces v O es distinta, ya que los SCRs se apagan al llegar su corriente a cero Carga resistiva pura vRvR vSvS vTvT TRTR TSTS T iRiR iTiT iSiS iOiO vOvO T [ms] 400 vRvR vTvT vSvS vOvO Ejemplo:  V g = 325,3 V   = 45º

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común Cálculo de la tensión media de salida con carga resistiva pura en función del ángulo de retraso  v O_med vOvO 

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común Formas de onda de tensión con carga resistiva pura T [ms] 400 vRvR vTvT vSvS  = 45º T [ms] 400 vRvR vTvT vSvS  = 120º v O_med = 0,601·V g v O_med = 0,064·V g 0 v O_med vOvO vOvO

Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común Formas de onda de corriente con carga resistiva pura T [ms] vRvR 0 0  = 45º T [ms] vRvR 0 0  = 120º iTiT T [ms] 400 vOvO  = 45º iRiR iSiS iRiR iRiR

v O_med vOvO vSvS vRvR Convertidores con tiristores Rectificador trifásico controlado de onda completa T [ms] vTvT v P_ v O = v P_0 - v N_0 vRvR vSvS vTvT T R1 T S1 T T1 T R2 T S2 T T2 VOVO + - v N_0 iRiR Ejemplo:  V g = 325,3 V   = 20º   v O_med = 1,554·V g Para  60º con cualquier tipo de carga o para cualquier  con carga muy inductiva:

Convertidores con tiristores Formas de onda de tensión para cualquier  con carga muy inductiva  = 60º  = 75º v O_med = 0,827·V g Rectificador trifásico controlado de onda completa vSvS vRvR vTvT vOvO v O_med = 0,428·V g T [ms] vSvS vRvR vTvT vOvO Rectificador

Convertidores con tiristores Formas de onda de tensión para cualquier  con carga muy inductiva  = 90º  = 120º v O_med = 0 Rectificador trifásico controlado de onda completa vSvS vRvR vTvT v O_med = -0,827·V g vSvS vRvR T [ms] vTvT vOvO Inversor no autónomo Frontera rectificador-inversor vOvO

Convertidores con tiristores Formas de onda de corriente con carga muy inductiva vRvR  = 20º vRvR  = 60º Rectificador trifásico controlado de onda completa T [ms] vRvR  = 90º T [ms] vRvR  = 120º iRiR iRiR iRiR iRiR Rectificador Frontera Inversor

Convertidores con tiristores Formas de onda de tensión con carga resistiva pura (para   60º es igual que con carga inductiva)  = 60º  = 90º Rectificador trifásico controlado de onda completa vSvS vRvR vTvT vOvO T [ms] vSvS vRvR vTvT vOvO v O_med = 0,827·V g v O_med = 0,222·V g

Convertidores con tiristores Formas de onda de corriente con carga resistiva pura vRvR  = 0º vRvR  = 20º Rectificador trifásico controlado de onda completa T [ms] vRvR  = 60º T [ms] vRvR  = 90º iRiR iRiR iRiR iRiR i R (carga muy inductiva) i R (carga muy inductiva) i R (carga muy inductiva) i R (carga muy inductiva)

v O_med vSvS vRvR Convertidores con tiristores Rectificador trifásico semicontrolado T [ms] vTvT v P_ v O = v P_0 - v N_0 vRvR vSvS vTvT TRTR TSTST DRDR DSDS DTDT VOVO + - v N_0 iRiR Ejemplo:  V g = 325,3 V   = 20º  v O_med = 1,604·V g Está compuesto por 3 SCRs y 3 diodos vOvO Para  60º con cualquier tipo de carga:

Convertidores con tiristores Formas de onda de tensión para carga inductiva o resistiva  = 45º  = 90º v O_med = 1,412·V g Rectificador trifásico semicontrolado vSvS vRvR vTvT v O_med = 0,827·V g T [ms] vSvS vRvR vTvT Nunca hay tensión negativa en la carga (los diodos lo impiden) vOvO vOvO

Convertidores con tiristores Con el control adecuado de los interruptores se puede conseguir controlar la corriente por las entradas (que puede ser senoidal en fase con la tensión) y la tensión de salida Con interuptores bidireccionales en corriente y tensión se puede conseguir que el rectificador funcione como inversor suministrando corriente senoidal en fase con la tensión de entrada Su estudio no se puede abordar en esta asignatura Rectificadores trifásicos modernos (sin tiristores) vRvR vSvS vTvT S R1 S S1 S T1 S R2 S S2 S T2 + - L L L C VOVO + -

Convertidores con tiristores El convertidor “Back-to-Back” Rectificadores trifásicos modernos (sin tiristores) vRvR vSvS vTvT S R1 S S1 S T1 S R2 S S2 S T2 + - L L L C v’Rv’R v’Sv’S v’Tv’T S’ R1 S’ S1 S’ T1 S’ R2 S’ S2 S’ T2 L’ Permite generar CA desde CA, cambiando la frecuencia Permite recuperar energía desde cargas activas Es ideal para controlar motores de “jaula de ardilla” con frenado regenerativo Es muy útil para la generación eólica Su estudio no se puede abordar en esta asignatura

Convertidores con tiristores Reciben el nombre de “controladores de fase” Convertidores CA /CA monofásicos sin cambio de frecuencia Es un circuito muy utilizado (control de intensidad luminosa, control de velocidad de motores de colector, control continuo de calefacción eléctrica, etc.) Cuando la tensión en el condensador C 1 alcanza la tensión de disparo del DIAC Di 1 (típicamente 30 V), se dispara el TRIAC Tr 1 y, por tanto, se aplica tensión a la carga El instante en el que se dispara el DIAC depende de la resistencia variable R v. Controlando su valor se controla el ángulo de desfase  y, por tanto, la potencia aplicada a la carga vRvR C1C1 VLVL + - Tr 1 RVRV Di 1  VLVL VLVL VLVL VLVL  = 90º  = 30º  = 60º  = 120º