Lección 8: Convertidores CA/CC y CA/CA con tiristores
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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
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
• 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
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico no controlado de media onda
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR
+
++ vS
vT
DR
DS
DT
vO
+
-
iR
iT
iS
iO
vR vTvS
vO_med
vO
)tf2(senVv redgR
3senV3v gmed_O
Montaje en cátodo común
• Ejemplo:Vg = 325,3 V (230 V eficaces)
psenVpv gmed_OSi hay p fases:
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico no controlado de media onda
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR
Montaje en cátodo común
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR
iR
iR
Con carga resistiva
Con carga muy inductiva
• Corriente por una fase
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico no controlado de media onda
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR vTvS
vO_med
)tf2(senVv redgR
3senV3v gmed_O
Montaje en ánodo común
vR
+
++ vS
vT
DR1
DS1
DT1
vO
+
-
iR
iT
iS
iO
vO
• Ejemplo:Vg = 325,3 V (230 V eficaces)
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico no controlado de media onda
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR
Montaje en ánodo común
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR
Con carga resistiva
Con carga muy inductiva
• Corriente por una fase
iR
iR
vO
vSvR
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico no controlado de onda completa
vR
+
++ vS
vT
DR1 DS1 DT1
DR2 DS2 DT2
VO
+
-
-400
-200
0
200
400
600
0 10 20 30 40T [ms]
vT
vO_med• Ejemplo:Vg = 325,3 V (230 V eficaces)
vP_0-+
vN_0-
+
vO = vP_0 - vN_0
3senV32v gmed_O
iR
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR
Con carga resistiva
Con carga muy inductiva
• Corriente por una fase
Rectificador trifásico no controlado de onda completa
iR
iR
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de media onda
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR vTvS
Montaje en cátodo común
• Ejemplo: Vg = 325,3 V a = 20º
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
vO
a
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común
• Cálculo de la tensión media de salida en función del ángulo de retraso a
vO_med
vO
a
)cos(3
senV3)t(d)tcos(V23v gredredgmed_O
62
62
a
a
a
)cos(p
senVpv gmed_O a
• Si hay p fases:
¡¡OJO!! Esta fórmula no es válida si la tensión en la carga queda enclavada en cero
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común
• Formas de onda de tensión con carga muy inductiva y retrasos moderados
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR vTvS
a = 45º
vO
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR vTvS
vOa = 60º
vO_med = 0,5848·Vg
vO_med = 0,4135·Vg
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común
• Formas de onda de corriente con carga muy inductiva y retrasos moderados0
200
0 10 20 30 40T [ms]
400vO
a = 20º
iR
iT
iS
0 10 20 30 40T [ms]
200
400
0
0
vR a = 20º
0 10 20 30 40T [ms]
200
400
0
0
vR a = 60º
iR iR
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común
• Formas de onda de tensión y corriente con carga muy inductiva y a = 90º
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR vTvS
vO_med = 0
vO
0 10 20 30 40 T [ms]
200
400
0
0
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
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común
• Formas de onda de tensión y corriente con carga muy inductiva y a > 90º
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR vTvS
0 10 20 30 40T [ms]
200
400vR a = 120º
0
0
• La tensión ha cambiado de signo y la corriente no. ¡¡Hace falta que la carga sea activa!!
vO_med = -0,4135·Vg
vO
iR
vO
+
-
+
-vO_med
vO
+
-
+
-vO_med
Pasiva Activa
vO_med
a = 120º
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común
Potencia
Potencia
0vO
vO_med
0
vOvO_med
vR
+
++ vS
vT
TR
TS
TT
iR
iT
iS
iO
vO
+
-
+
-vO_med
a = 60º
230 V (eficaces)
134,5 V
vR
+
++ vS
vT
TR
TS
TT
iR
iT
iS
iO
vO
+
-
+
-vO_med
a = 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
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común
• 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
Carga resistiva puravR
+
++ vS
vT
TR
TS
TT
iR
iT
iS
iO
vO
+
-
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR vTvS
vO• Ejemplo: Vg = 325,3 V a = 45º
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
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
vO_med
a
a 3
sen1V23)t(d)t(senV
23v gred
6redgmed_O
vOa
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común
• Formas de onda de tensión con carga resistiva pura
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR vTvS
a = 45º
0 10 20 30 40-400
-200
0
200
T [ms]
400
vR vTvS
a = 120º
vO_med = 0,601·Vg
vO_med = 0,064·Vg
0
vO_med
vO_med
vO
vO
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común
• Formas de onda de corriente con carga resistiva pura
0 10 20 30 40T [ms]
200
400vR
0
0
a = 45º
0 10 20 30 40T [ms]
200
400vR
0
0
a = 120º
iT
0
200
0 10 20 30 40T [ms]
400vO
a = 45º
iR
iS
iR
iR
vO_med
vO
vSvR
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico controlado de onda completa
-400
-200
0
200
400
600
0 10 20 30 40 T [ms]
vT
vP_0-+
-
+
vO = vP_0 - vN_0
)·cos(3
senV32v gmed_O a
vR
+
++ vS
vT
TR1 TS1 TT1
TR2 TS2 TT2
VO
+
-vN_0
iR
• Ejemplo: Vg = 325,3 V a = 20º
a
a
vO_med = 1,554·Vg
Para a £ 60º con cualquier tipo de carga o para cualquier a con carga muy inductiva:
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
• Formas de onda de tensión para cualquier a con carga muy inductiva
a = 60º
a = 75º
vO_med = 0,827·Vg
Rectificador trifásico controlado de onda completa
vSvR-200
0
200
400
600
vT
vO
vO_med = 0,428·Vg
0 10 20 30 40 T [ms]
-200
0
200
400
600
vSvR vT
vO
Rectificador
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
• Formas de onda de tensión para cualquier a con carga muy inductiva
a = 90º
a = 120º
vO_med = 0
Rectificador trifásico controlado de onda completa
vSvR
-200
0
200
400
600
vT
vO_med = -0,827·Vg
vSvR
-400
-200
0
200
400
0 10 20 30 40 T [ms]
vT
vOInversor no autónomo
Fronterarectificador-inversor
vO
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
• Formas de onda de corriente con carga muy inductiva
200
400
0
0
vR a = 20º 200
400
0
0
vR a = 60º
Rectificador trifásico controlado de onda completa
0 10 20 30 40T [ms]
200
400
0
0
vR a = 90º
0 10 20 30 40T [ms]
200
400
0
0
vR a = 120º
iR iR
iRiR
Rectificador Rectificador
Frontera Inversor
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
• Formas de onda de tensión con carga resistiva pura (para a £ 60º es igual que con carga inductiva)
a = 60º
a = 90º
Rectificador trifásico controlado de onda completa
vSvR-200
0
200
400
600
vT
vO
0 10 20 30 40 T [ms]
-200
0
200
400
600
vSvR vT
vO
vO_med = 0,827·Vg
vO_med = 0,222·Vg
a
6
sen1V33v gmed_O
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
• Formas de onda de corriente con carga resistiva pura
200
400
0
0
vR a = 0º 200
400
0
0
vR a = 20º
Rectificador trifásico controlado de onda completa
0 10 20 30 40T [ms]
200
400
0
0
vR a = 60º
0 10 20 30 40T [ms]
200
400
0
0
vR a = 90º
iR iR
iR iR
iR (carga muy inductiva)
iR (carga muy inductiva)
iR (carga muy inductiva)
iR (carga muy inductiva)
vO_med
vSvR
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
Rectificador trifásico semicontrolado
-400
-200
0
200
400
600
0 10 20 30 40 T [ms]
vT
vP_0-+
-
+
vO = vP_0 - vN_0
)cos(1·
3senV3v gmed_O a
vR
+
++ vS
vT
TR TS TT
DR DS DT
VO
+
-vN_0
iR
• Ejemplo: Vg = 325,3 V a = 20º
a
vO_med = 1,604·Vg
• Está compuesto por 3 SCRs y 3 diodos
vO
Para a £ 60º con cualquier tipo de carga:
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
• Formas de onda de tensión para carga inductiva o resistiva
a = 45º
a = 90º
vO_med = 1,412·Vg
Rectificador trifásico semicontrolado
vSvR-200
0
200
400
600
vT
vO_med = 0,827·Vg
0 10 20 30 40 T [ms]
-200
0
200
400
600
vSvR vT
Nunca hay tensión negativa en la carga
(los diodos lo impiden)
vO
vO
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
• 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)
vR
+
++ vS
vT
SR1 SS1 ST1
SR2 SS2 ST2
+-
L
L
L
CVO
+
-
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
El convertidor “Back-to-Back”
Rectificadores trifásicos modernos (sin tiristores)
vR +
++ vS
vT
SR1 SS1 ST1
SR2 SS2ST2
+-
L
L
L
Cv’R
v’S
v’T
S’R1S’S1S’T1
S’R2S’S2S’T2
L’
L’
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
Con
vert
idor
es c
on ti
risto
res
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 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
vR
+
+-C1
VL+ -
Tr1RV
Di1
a
VL VL
VL VL
a = 90º
a = 30º a = 60º
a = 120º
