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Circuitos Rectificadores no controlados

Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores no controlados trifsicos

Departamento de Electrnica, Universidad de Alcal,

Departamento de Electrnica, Universidad de Alcal 1 of 54

Circuitos Rectificadores no controlados

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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


Circuitos Rectificadores no controladosIntroduccin

Outline

1 Introduccin






7 Autoevaluacin

8 Bibliografa



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.



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.


Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos de diodos con carga de corriente constante

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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





7 Autoevaluacin

8 Bibliografa


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.

+++

+++



Ls = 0. Formas de onda

A continuacin se estudiar el funcionamiento de el rectificador trifsico.

+++



Ls = 0. Formas de onda: pi6 < pi2

+++



Ls = 0. Formas de onda: pi2 < 5pi6

+++



Ls = 0. Formas de onda: 5pi6 < 7pi6

+++




+++



Ls = 0. Formas de onda: 11pi6 < pi6

+++



Ls = 0. Rectificador de 6 pulsos.

+++

6 pulsos



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



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



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



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



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


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.



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

+

+

+



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

+

+

+



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

+

+

+



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

+

+

+


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.


Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos con carga a tensin constante

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1 Introduccin






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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.



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.


Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores trifsicos reales

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1 Introduccin






7 Autoevaluacin

8 Bibliografa



Comportamiento de convertidores reales

En realidad la tensin vO no es constante.



Formas de onda Modo de Conduccin Discontinua (MCD) y MCC



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.


Circuitos Rectificadores no controladosRectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos

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1 Introduccin




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.


7 Autoevaluacin

8 Bibliografa


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


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.



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.



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


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.



Clculo de ia2 = 1/

3(ia2 ib2 ) mediante van y vbn .



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.



THD

La seal ia va en fase con va: DPF=1.

Su contenido armnico es mucho menor que el de un rectificador estndar.



Curvas reales convertidor de 12 pulsos



Curvas reales convertidor de 12 pulsos

Corriente ia1 Corriente ia


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.


Circuitos Rectificadores no controladosResumen y conclusiones

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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.


Circuitos Rectificadores no controladosAutoevaluacin

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1 Introduccin






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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.


Circuitos Rectificadores no controladosBibliografa

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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.



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.



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.


Circuitos Rectificadores no controladosEnd

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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

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