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Circuitos Rectificadores no controlados
Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores no controlados trifsicos
Departamento de Electrnica, Universidad de Alcal,
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Circuitos Rectificadores no controlados
Outline
1 Introduccin
2 Rectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constante
3 Rectificadores trifsicos con carga a tensin constante
4 Rectificadores trifsicos reales
5 Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos
6 Resumen y conclusiones
7 Autoevaluacin
8 Bibliografa
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Circuitos Rectificadores no controladosIntroduccin
Outline
1 Introduccin
2 Rectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constante
3 Rectificadores trifsicos con carga a tensin constante
4 Rectificadores trifsicos reales
5 Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos
6 Resumen y conclusiones
7 Autoevaluacin
8 Bibliografa
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Circuitos Rectificadores no controladosIntroduccin
Introduccin
En aplicaciones industriales es habitual tener acometidas elctricas trifsicas.En estas circunstancias es ventajoso realizar conversiones AC/DC medianterectificadores trifsicos:
Consumen potencia instantnea constante (Ver Leccin 1).Presentan un rizado mucho menor.Son capaces de manejar ms potencia.
El convertidor bsico en estas circunstancias es el rectificador trifsico nocontrolado de seis pulsos. Su topologa es la siguiente.
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Circuitos Rectificadores no controladosIntroduccin
Introduccin
En primer lugar estudiaremos el funcionamiento con una carga de corrienteconstante.
En este caso es una situacin mucho ms cercana a la realidad: Los rectificadorestrifsicos se emplean en aplicaciones de ms potencia donde el MCC es muchoms habitual.
Tras este anlisis estudiaremos el caso de corriente MCC pero no constante.
La ltima parte de la leccin esta dedicada a estudiar topologas adecuadas paramayores potencias: el rectificador de 12 pulsos.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constante
Outline
1 Introduccin
2 Rectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0Anlisis con Ls 6= 0.Anlisis en MCC con L finita
3 Rectificadores trifsicos con carga a tensin constante
4 Rectificadores trifsicos reales
5 Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos
6 Resumen y conclusiones
7 Autoevaluacin
8 Bibliografa
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Anlisis con una red ideal: Ls = 0
Una primera aproximacin en el anlisis es suponer que la red es un generadorindependiente de tensin.Podemos representar el rectificador de una manera ligeramente diferente:
El rectificador consiste en dos grupos de diodos.Sin inductancia de lnea es fcil ver que en cada grupo conduce el diodo con mayortensin nodo-ctodo.En el grupo inferior conducir el diodo cuyo ctodo est a menor potencial.En el grupo superior conducir el diodo cuyo ctodo est a mayor potencial.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Ls = 0. Formas de onda
A continuacin se estudiar el funcionamiento de el rectificador trifsico.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Ls = 0. Formas de onda: pi6 < pi2
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Ls = 0. Formas de onda: pi2 < 5pi6
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Ls = 0. Formas de onda: 5pi6 < 7pi6
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Ls = 0. Formas de onda: 7pi6 < 3pi2
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Ls = 0. Formas de onda: 3pi2 < 11pi6
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Ls = 0. Formas de onda: 11pi6 < pi6
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Ls = 0. Rectificador de 6 pulsos.
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6 pulsos
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Valor medio de vO.
A
Por facilidad de calculo conviene mover el eje detiempos.
Podemos calcular el valor medio como
VO0 =1
2pi
20pivO(wt)dwt
Dada la simetra del problema, se puede calcular como:
VO0 =3
pi
pi6
pi6
2VLLcos(wt)dwt
rea A
=
=3
2VLL
pi[sen(wt)]
pi6pi
6=
3
2VLL
pi[(0.5) + 0.5] =
=3
2VLL
pi 1.35VLL
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Calidad de la energa consumida: Estudio de Ia.
En el caso Ls=0, la corriente is es una seal cuadrada como la representada enla figura.
Podemos calcular el valor eficaz como:
Ia =
1
2pi
2pi0
i2adt =
1pi
5pi6
pi/6I2Odt =
2
3IO
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Calidad de la energa consumida: Estudio de Ia1 .
En el caso Ls=0, la corriente ia es una seal cuadrada como la representada enla figura.
La red es un tono puro: podemos aplicar el balance de potencia para calcular elvalor eficaz del primer armnico del ia. Imponiendo Ps = PO:
3VLLIa1cos()
Ps
= IOVO PO
Ia1 =IO
32
pi VLL3VLL
=
6
piIO 0.78IO
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Distribucin armnica de ia(t)
El desarrollo en serie de Fourier de esta seal presenta:Armnicos impares no mltiplos de 3 (Por qu?).De valor eficaz Iah =
Ia1h .
El valor eficaz del primer armnico: Ia1 =6pi Id
Podemos calcular la distorsin armnica (THD):
THD =IarIa1
=
I2a I2a1Ia1
=
pi2
9 1 0.31 = 31%
El elevado valor de THD se corresponde con lo poco sinusoidal que es ia
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls = 0
Factor de potencia
Dado el alto contenido armnico de la seal de corriente es de esperar que elfactor de potencia sea algo bajo.
PF =P
S=
VOIO3IaVLL
=32
piVLLIO
3VLL
23IO
=3
pi
El primer armnico de corriente va en fase con la tensin de red, por tanto elDPF:
DPF = cos() = 1
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con Ls 6= 0.
Anlisis con Ls 6= 0.Extendemos el anlisis realizado en captulos anteriores al caso trifsico.Observemos la conmutacin entre el diodo 5 y el 1 (c a).En t = 0 la corriente IO circula por D5 y D6. D1 se encuentra en OFF yvO=vP vN = vcbDurante la conmutacin t < u, D1 se polariza en directo. La corriente iaevoluciona a IO e ic evoluciona a 0.
En t = u la conmutacin ha terminado, vO = vab.
+
+
+
Este retardo al conmutar influye sobre la forma de onda de la corriente y sobreVO.
Preguntas: u, Au, VO.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con Ls 6= 0.
Anlisis con Ls 6= 0. Clculo de uPlanteamos la ecuacin de la malla formada por los diodos D1 y D5 durante laconmutacin. Como ambos diodos se encuentran en conduccin:
van vcn = Ls diadt Ls dic
dt
ic = IO ia y por tanto dicdt = diadt .van vcn = vac =
2VLLsin(wt), si colocamos el origen de tiempo como en la
figura. 2VLLsin(wt) = 2Ls
dia
dt= 2wLs
dia
dwt
+
+
+
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con Ls 6= 0.
Anlisis con Ls 6= 0. Clculo de uIntegrando la ecuacin: u
0
2VLLsin(wt)dwt = w2Ls
IO0
dia
Por lo que:
cos(u) = 1 2wLsIO2VLL
+
+
+
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con Ls 6= 0.
Anlisis con Ls 6= 0. Clculo de AuAu, como se observa en la figura, es el rea encerrada entre van y vP :
Au =
u0
(van vP )dwt = u0VLadwt = wLs
IO0
dia
Por tanto:Au = wLsIO
+
+
+
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con Ls 6= 0.
Anlisis con Ls 6= 0. Efecto sobre vOEl rea Au se substrae a la seal ideal vO 6 veces por periodo (6 pulsos).
Por tanto:
VO = VO0 62piAu =
3
2VLL
pi 3wLsIO
pi
+
+
+
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis en MCC con L finita
Anlisis en MCC con L finita
Suponer iO constante es conveniente a nivel didctico: simplicidad.
En la prctica es imposible conseguir corrientes constantes.
En rectificadores trifsicos es habitual el funcionamiento en Modo de ConduccinContinua (MCC) incluso para inductancias relativamente pequeas.
EL THD se mantiene en torno al 30%
La seal de fase corresponde al troceado de una seal con frecuencia igual a la devO: 6 veces la fundamental.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos con carga a tensin constante
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1 Introduccin
2 Rectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constante
3 Rectificadores trifsicos con carga a tensin constante
4 Rectificadores trifsicos reales
5 Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos
6 Resumen y conclusiones
7 Autoevaluacin
8 Bibliografa
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos con carga a tensin constante
Anlisis con tensin DC constante: vO(t) = VO
Otra aproximacin: el condensador de filtrado es grande vO = cteAsumiremos corriente discontinua: solo conducen dos diodos (uno superior y unoinferior): circuito equivalente.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos con carga a tensin constante
Anlisis con tensin DC constante: vO(t) = VO
Figure: THD, DPF, PF en un rectificadorvO cte.
Figure: Vd normalizado y CF en unrectificador vO cte.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos reales
Outline
1 Introduccin
2 Rectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constante
3 Rectificadores trifsicos con carga a tensin constante
4 Rectificadores trifsicos reales
5 Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos
6 Resumen y conclusiones
7 Autoevaluacin
8 Bibliografa
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos reales
Comportamiento de convertidores reales
En realidad la tensin vO no es constante.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos reales
Formas de onda Modo de Conduccin Discontinua (MCD) y MCC
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos reales
Formas de onda. Medidas de calidad
Tanto el factor de potencia como la distorsin armnica mejoran cuando elconvertidor funciona a altas corrientes.
MCC mejor que MCD.
El incremento de la inductancia de linea, en la mayora de las situaciones, mejoralos ndices de calidad.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos
Outline
1 Introduccin
2 Rectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constante
3 Rectificadores trifsicos con carga a tensin constante
4 Rectificadores trifsicos reales
5 Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificadores multipulso.Rectificadores multipulso: vO .Rectificador 12 pulsos: iabc.Estructuras de 12 pulsos prcticas. Estructuras de ms de 12 pulsos.
6 Resumen y conclusiones
7 Autoevaluacin
8 Bibliografa
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificadores multipulso.
Rectificadores multipulso
Las estructuras de rectificadores multipulso son habituales en aplicaciones:De alta potencia.Donde se requieran altas calidades en la corriente de red.Ambos casos.
Esencialmente son asociaciones serie de rectificadores trifsicos nocontrolados.Esa asociacin se hace de manera que el rizado de los convertidores quedeintercalado.
El rectificador de 12 pulsos esta compuesto de dos rectificadores intercalados.
Este intercalado, tiene repercusin en la calidad de la seal DC pero tambin, enla calidad de las corrientes AC.
12 pulsosRect.Rect.
Rect.2
1
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificadores multipulso: vO .
Desfase de vO.
En general si queremos construir un rectificador de 6 n pulsos necesitaremosdesfasar los rectificadores pi
31n.
Para desfasar los pulsos podemos desfasar las seales trifsicas de entrada.En concreto, para conseguir el rectificador de doce pulsos, son necesarias dosseales trifsicas que cumplan:
Su tensin de linea sea idntica (VOi = VO/n)Sus tensiones de linea vayan desfasadas pi3
12 =
pi6 .
Como podemos desfasar las seales trifsicas? Mediante transformadores.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificadores multipulso: vO .
Desfase de las seales trifsicas
Existen estructuras de transformadores para conseguir un desfase arbitrario(Estructuras en zig-zag).
Estudiaremos el caso de 12 pulsos: n = 2.
Para ello necesitaremos que los dos rectificadores funcionen con un desfase de30o.
Partiremos de un ejemplo concreto y veremos los casos generales despus.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificadores multipulso: vO .
Anlisis rectificador de 12 pulsos
El lado DC consistir en 12 pulsos como los representados previamente.
Esto mejora su calidad (primer armnico a 12w) y su rango de potencia.
Qu ocurre en el lado AC?.Estrategia:
Calcular ia1 = ia1
. Para ello utilizaremos vanCalcular ia2 = 1/
3(ia2 i
b2
). Utilizaremos van y vbn .Estudiaremos la corriente total: ia = ia1 ia2
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificador 12 pulsos: iabc.
Clculo de ia1 = ia1
utilizando van
La tensin van (y el resto del sistema) es igual a van.
La corriente ia1 es igual a ia1.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificador 12 pulsos: iabc.
Clculo de ia2 = 1/
3(ia2 ib2 ) mediante van y vbn .
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificador 12 pulsos: iabc.
Clculo de ia = ia1 + ia2 .
Sumando ambas corriente, obtenemos la corriente que consume el rectificador dela red elctrica.
Incluso en el caso iO = IO, la corriente total tiene una forma sinusoidal.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificador 12 pulsos: iabc.
THD
La seal ia va en fase con va: DPF=1.
Su contenido armnico es mucho menor que el de un rectificador estndar.
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificador 12 pulsos: iabc.
Curvas reales convertidor de 12 pulsos
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificador 12 pulsos: iabc.
Curvas reales convertidor de 12 pulsos
Corriente ia1 Corriente ia
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Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosEstructuras de 12 pulsos prcticas. Estructuras de ms de 12 pulsos.
Estructuras de 12 pulsos prcticas.
En trminos de calidad el convertidor estudiado es vlido.
Sin embargo, el mecanismo para generar el desfase es redundante.
Es posible conseguir el mismo resultado usando un nico devanado primario:
El anlisis es un poco ms complicado.
Estructuras de ms de 12 pulsos
Es posible utilizar el mismo principio para construir estructuras de 24,32, 48, ...
Para generarlas es necesario desfasar el sistema trifsico en ngulos diferentes a30 (Y ).
Los desfases de otros ngulos se pueden generar con transformadores zig-zag.Pueden consultarse en la bibliografa avanzada.
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Circuitos Rectificadores no controladosResumen y conclusiones
Outline
1 Introduccin
2 Rectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constante
3 Rectificadores trifsicos con carga a tensin constante
4 Rectificadores trifsicos reales
5 Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos
6 Resumen y conclusiones
7 Autoevaluacin
8 Bibliografa
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Circuitos Rectificadores no controladosResumen y conclusiones
Resumen y conclusiones
Los rectificadores trifsicos son sistemas tremendamente habituales.
Son baratos, robustos, efectivos.
Su mayor problema: producen mucha distorsin de linea.Se han estudiado su comportamiento en modo MCC, por ser el ms habitual.
Se han estudiado las formas de onda bsicas y los parmetros ms importantes:VO,0, VO, THD, PF, etc.
Las formas de onda en MCD son fcilmente deducibles, pero el anlisis es muycomplicado. Recurriremos a la simulacin.Los rectificadores multipulso son una asociacin serie inteligente de rectificadorestrifsicos. Tienen dos ventajas:
Amplan el rango de potencias del rectificadores.Mejoran la calidad de las formas de onda, tanto DC como AC.
Su construccin es sencilla, aunque incrementa costes.
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Circuitos Rectificadores no controladosAutoevaluacin
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1 Introduccin
2 Rectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constante
3 Rectificadores trifsicos con carga a tensin constante
4 Rectificadores trifsicos reales
5 Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos
6 Resumen y conclusiones
7 Autoevaluacin
8 Bibliografa
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Circuitos Rectificadores no controladosAutoevaluacin
1 Conocer la topologa del rectificador trifsico.
2 Conocer su funcionamiento, y sus formas de onda en MCC con iOconstante.
3 Conocer la tensin media producida a la salida, y PF, THD, etc. delas corrientes de lnea.
4 Conocer el efecto de la inductancia de lnea en el funcionamiento delrectificador.
5 Conocer la distribucin armnica de las corrientes de red.
6 Conocer las formas de onda en el caso de Ls R.7 Conocer las formas de onda en el caso de MCD.
8 Conocer los fundamentos de la rectificacin multipulso.
9 Saber calcular los desfases para el caso de 6 n pulsos.10 Conocer el funcionamiento del rectificador de 12 pulsos y su
distribucin armnica.
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Circuitos Rectificadores no controladosBibliografa
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1 Introduccin
2 Rectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constante
3 Rectificadores trifsicos con carga a tensin constante
4 Rectificadores trifsicos reales
5 Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos
6 Resumen y conclusiones
7 Autoevaluacin
8 Bibliografa
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Circuitos Rectificadores no controladosBibliografa
Lecturas bsicas
Ned Mohan, Tore M. Undeland, and William P. Robbins.Power Electronics. Third Edition., chapter 5, pages 379102.Willey, 2003.
Seccin de captulo dedicada a la descripcin de los rectificadores trifsicosno controlados. Cubre los contenidos de clase excepto los relativos a losconvertidores multipulso. Se recomienda su lectura.
Jess Urea Urea, Miguel ngel Sotelo Vzquez, Fco. Javier Rodrguez Snchez,Rafael Barea Navarro, Mariano Domnguez Herranz, Emilio J. Bueno Pea, and PedroA. Revenga de Toro.Electrnica de Potencia, chapter 5, pages 5.195.29.Servicio de Publicaciones UAH, 1999.
Parte de capitulo del texto fundamental de la asignatura dedicado a realizaruna introduccin de los convertdidores ACDC y a describir los rectificadorestrifsicos no controlados. Cubre los contenidos de clase excepto larectificacin multipulso, siguiendo la didctica del libro de Mohan. Escritoen espaol.
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Circuitos Rectificadores no controladosBibliografa
Lecturas de ampliacin
Andrs Barrado Bautista and Antonio Lzaro Blanco, editors.Problemas de Electrnica de Potencia, chapter 4, pages 295325.Pearson Education., 2007.
Excelente libro de problemas de Electrnica de Potencia en espaol.Esta parte de este captulo esta dedicado a los rectificadores trifsicosno controlados y a la asociacin de rectificadores. Algunos ejerciciospueden superar el nivel de la asignatura, pero en general es muyrecomendable.
Bin Wu.High-power Converters and AC drives, chapter 3, pages 3565.IEEE Press & Wiley-Interscience, 2006.
Capitulo dedicado a la rectificacion multipulso. Cubre la rectificacin de12 pulsos y superiores. El texto de Bin Wu es una referencia mundial enconvertidores de potencia. Se recomienda la lectura de esta captulo.Los rectificadores de 18 pulsos (y ms) no se dan en la asignatura.
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Circuitos Rectificadores no controladosBibliografa
Lecturas avanzadas
Bin Wu.High-power Converters and AC drives, chapter 3,4,5, pages 3592.IEEE Press & Wiley-Interscience, 2006.
Capitulos dedicado a la rectificacion multipulso. Cubre la rectificacinde 12 pulsos y superiores mediante diodos y tiristores. El ltimocaptulo describe el diseo de transformadores en zig-zag para laconstruccin de las topologas de orden superior. El texto de Bin Wu esuna referencia mundial en convertidores de potencia. Se recomienda lalectura como lectura avanzada.
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Circuitos Rectificadores no controladosEnd
Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores no controlados trifsicos
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IntroduccinRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constanteAnlisis con una red ideal: Ls=0Anlisis con Ls=0.Anlisis en MCC con L finita
Rectificadores trifsicos con carga a tensin constanteRectificadores trifsicos reales Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsosRectificadores multipulso.Rectificadores multipulso: vO.Rectificador 12 pulsos: iabc.Estructuras de 12 pulsos prcticas. Estructuras de ms de 12 pulsos.
Resumen y conclusionesAutoevaluacinBibliografa