Convertidores CA/CC y CA/CA con tiristores Universidad de Oviedo 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 Introducción 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) Convertidores con tiristores

vO Convertidores con tiristores Rectificador trifásico no controlado de media onda vR + vS vT DR DS DT vO - iR iT iS iO Montaje en cátodo común Si hay p fases: Convertidores con tiristores Ejemplo: Vg = 325,3 V (230 V eficaces) 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vO vT vR vS vO_med

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico no controlado de media onda Montaje en cátodo común 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR iR Corriente por una fase Con carga resistiva Convertidores con tiristores 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR iR Con carga muy inductiva

vO Convertidores con tiristores Rectificador trifásico no controlado de media onda vR + vS vT DR1 DS1 DT1 vO - iR iT iS iO Montaje en ánodo común Convertidores con tiristores Ejemplo: Vg = 325,3 V (230 V eficaces) 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vS vR vT vO vO_med

Con carga muy inductiva Rectificador trifásico no controlado de media onda Montaje en ánodo común 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR Corriente por una fase Con carga resistiva iR Convertidores con tiristores 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR Con carga muy inductiva iR

+ - vO = vP_0 - vN_0 - + vO vP_0 vN_0 Convertidores con tiristores Rectificador trifásico no controlado de onda completa vR + vS vT DR1 DS1 DT1 DR2 DS2 DT2 VO - iR vP_0 - + vO = vP_0 - vN_0 vN_0 - + Convertidores con tiristores -400 -200 200 400 600 10 20 30 40 T [ms] vO_med vO Ejemplo: Vg = 325,3 V (230 V eficaces) vS vT vR

Con carga muy inductiva Rectificador trifásico no controlado de onda completa 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 iR vR Corriente por una fase Con carga resistiva Convertidores con tiristores 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR iR Con carga muy inductiva

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común vR + vS vT TR TS TT vO - iR iT iS iO Los diodos se sustituyen por SCRs El disparo de los SCRs se retrasa un ángulo “a” respecto al cruce de las fases El funcionamiento depende de a y del carácter de la carga a Convertidores con tiristores 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR vT vS vO Ejemplo: Vg = 325,3 V a = 20º

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

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR vT vS vO Formas de onda de tensión con carga muy inductiva y retrasos moderados a = 45º vO_med = 0,5848·Vg Convertidores con tiristores 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR vT vS vO a = 60º vO_med = 0,4135·Vg

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común 200 10 20 30 40 T [ms] 400 vO a = 20º Formas de onda de corriente con carga muy inductiva y retrasos moderados iR iS iT Convertidores con tiristores 10 20 30 40 T [ms] 200 400 vR a = 20º 10 20 30 40 T [ms] 200 400 vR a = 60º iR iR

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR vT vS vO Formas de onda de tensión y corriente con carga muy inductiva y a = 90º vO_med = 0 Convertidores con tiristores 10 20 30 40 T [ms] 200 400 vR a = 90º El valor medio de la tensión es cero No hay potencia activa en la corriente de fase ¿Qué pasa si a > 90º ? ¿Es posible esto? iR

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR vT vS a = 120º Formas de onda de tensión y corriente con carga muy inductiva y a > 90º vO vO_med vO_med = -0,4135·Vg Convertidores con tiristores La tensión ha cambiado de signo y la corriente no. ¡¡Hace falta que la carga sea activa!! 10 20 30 40 T [ms] 200 400 vR a = 120º vO + - vO_med vO + - vO_med iR Pasiva Activa

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda vR + vS vT TR TS TT iR iT iS iO vO - vO_med a = 60º 230 V (eficaces) 134,5 V Carga muy inductiva vO vO_med La batería se está cargando: El circuito opera como rectificador Convertidores con tiristores Potencia vR + vS vT TR TS TT iR iT iS iO vO - vO_med a = 120º 230 V (eficaces) 134,5 V vO vO_med Inversor no autónomo La batería se está descargando: El circuito opera como inversor Potencia

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda vR + vS vT TR TS TT iR iT iS iO vO - Carga resistiva pura Si 0 < a < 30º, entonces vO es como con carga muy inductiva Si a > 30º, entonces vO es distinta, ya que los SCRs se apagan al llegar su corriente a cero Convertidores con tiristores 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR vT vS vO Ejemplo: Vg = 325,3 V a = 45º

Montaje en cátodo común 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 a a vO vO_med Convertidores con tiristores

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR vT vS vO Formas de onda de tensión con carga resistiva pura vO_med a = 45º vO_med = 0,601·Vg Convertidores con tiristores 10 20 30 40 -400 -200 200 T [ms] 400 vR vT vS a = 120º vO vO_med = 0,064·Vg vO_med

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común 200 10 20 30 40 T [ms] 400 vO a = 45º Formas de onda de corriente con carga resistiva pura iR iS iT Convertidores con tiristores 10 20 30 40 T [ms] 200 400 vR a = 45º 10 20 30 40 T [ms] 200 400 vR a = 120º iR iR

a a + vO = vP_0 - vN_0 - - + vO_med = 1,554·Vg vP_0 vN_0 Rectificador trifásico controlado de onda completa vR + vS vT TR1 TS1 TT1 TR2 TS2 TT2 VO - vN_0 iR vP_0 - + vO = vP_0 - vN_0 Para a £ 60º con cualquier tipo de carga o para cualquier a con carga muy inductiva: - + a Convertidores con tiristores -400 -200 200 400 600 10 20 30 40 T [ms] vO_med vO Ejemplo: Vg = 325,3 V a = 20º vT vR vS a vO_med = 1,554·Vg

a = 60º a = 75º vO vO_med = 0,827·Vg vO vO_med = 0,428·Vg Rectificador trifásico controlado de onda completa vS vR -200 200 400 600 vT vO Formas de onda de tensión para cualquier a con carga muy inductiva a = 60º vO_med = 0,827·Vg Convertidores con tiristores -200 200 400 600 vS vR vT vO a = 75º vO_med = 0,428·Vg Rectificador 10 20 30 40 T [ms]

rectificador-inversor Rectificador trifásico controlado de onda completa vS vR -200 200 400 600 vT Formas de onda de tensión para cualquier a con carga muy inductiva vO a = 90º vO_med = 0 Frontera rectificador-inversor Convertidores con tiristores vS vR -400 -200 200 400 10 20 30 40 T [ms] vT vO a = 120º vO_med = -0,827·Vg Inversor no autónomo

iR iR iR iR vR vR Convertidores con tiristores vR vR Rectificador trifásico controlado de onda completa Formas de onda de corriente con carga muy inductiva 200 400 vR a = 20º 200 400 vR a = 60º Rectificador Rectificador iR iR Convertidores con tiristores 10 20 30 40 T [ms] 200 400 vR a = 90º 10 20 30 40 T [ms] 200 400 vR a = 120º Frontera Inversor iR iR

a = 60º a = 90º vO vO_med = 0,827·Vg vO vO_med = 0,222·Vg Rectificador trifásico controlado de onda completa vS vR -200 200 400 600 vT vO Formas de onda de tensión con carga resistiva pura (para a £ 60º es igual que con carga inductiva) a = 60º vO_med = 0,827·Vg Convertidores con tiristores -200 200 400 600 vS vR vT a = 90º vO vO_med = 0,222·Vg 10 20 30 40 T [ms]

iR iR iR iR vR vR Convertidores con tiristores vR vR Rectificador trifásico controlado de onda completa Formas de onda de corriente con carga resistiva pura 200 400 vR a = 0º 200 400 vR a = 20º iR iR iR (carga muy inductiva) iR (carga muy inductiva) Convertidores con tiristores 10 20 30 40 T [ms] 200 400 vR a = 60º 10 20 30 40 T [ms] 200 400 vR a = 90º iR (carga muy inductiva) iR (carga muy inductiva) iR iR

a + - vO = vP_0 - vN_0 - + vO vO_med = 1,604·Vg vP_0 vN_0 Rectificador trifásico semicontrolado vR + vS vT TR TS TT DR DS DT VO - vN_0 iR Está compuesto por 3 SCRs y 3 diodos vP_0 - + vO = vP_0 - vN_0 - + Para a £ 60º con cualquier tipo de carga: a Convertidores con tiristores -400 -200 200 400 600 10 20 30 40 T [ms] vO_med vO Ejemplo: Vg = 325,3 V a = 20º vR vT vS vO_med = 1,604·Vg

Nunca hay tensión negativa en la carga (los diodos lo impiden) Rectificador trifásico semicontrolado vS vR -200 200 400 600 vT Formas de onda de tensión para carga inductiva o resistiva vO a = 45º vO_med = 1,412·Vg Convertidores con tiristores -200 200 400 600 vS vR vT vO a = 90º vO_med = 0,827·Vg Nunca hay tensión negativa en la carga (los diodos lo impiden) 10 20 30 40 T [ms]

Convertidores con tiristores Rectificadores trifásicos modernos (sin tiristores) vR + vS vT SR1 SS1 ST1 SR2 SS2 ST2 - L C VO 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

El convertidor “Back-to-Back” Rectificadores trifásicos modernos (sin tiristores) El convertidor “Back-to-Back” vR + vS vT SR1 SS1 ST1 SR2 SS2 ST2 - L C v’R v’S v’T S’R1 S’S1 S’T1 S’R2 S’S2 S’T2 L’ Convertidores con tiristores 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

Reciben el nombre de “controladores de fase” Convertidores CA /CA monofásicos sin cambio de frecuencia Reciben el nombre de “controladores de fase” vR + - C1 VL Tr1 RV Di1 VL VL a = 30º a = 60º a VL VL a = 90º a = 120º Convertidores con tiristores 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 C1 alcanza la tensión de disparo del DIAC Di1 (típicamente 30 V), se dispara el TRIAC Tr1 y, por tanto, se aplica tensión a la carga El instante en el que se dispara el DIAC depende de la resistencia variable Rv. Controlando su valor se controla el ángulo de desfase a y, por tanto, la potencia aplicada a la carga