Universidad de Oviedo Lección 8 Convertidores CA/CC y CA/CA con tiristores Diseño de Sistemas...
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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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
• 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
3senV
3v gmed_O
Montaje en cátodo común
• Ejemplo:
Vg = 325,3 V
(230 V eficaces)
psenV
pv gmed_OSi hay p fases:
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
3senV
3v 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)
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
3senV
32v gmed_O
iR
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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(V2
3v gredredgmed_O
62
62
)cos(p
senVp
v gmed_O
• Si hay p fases:
¡¡OJO!! Esta fórmula no es válida si la tensión en la carga queda enclavada en cero
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
vO
a = 60º
vO_med = 0,5848·Vg
vO_med = 0,4135·Vg
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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 40
T [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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador trifásico controlado de media onda Montaje en
cátodo común
Potencia
Potencia
0vO
vO_med
0
vO
vO_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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
3sen1V
2
3)t(d)t(senV
2
3v gred
6redgmed_O
vO
a
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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
senV3
2v gmed_O
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:
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
• 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
• 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
• 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
• 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
6
sen1V33
v gmed_O
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
• 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
sRectificador 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·
3senV
3v gmed_O
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:
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
• 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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
• 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
+
-
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
El convertidor “Back-to-Back”
Rectificadores trifásicos modernos (sin tiristores)
vR+
++
vS
vT
SR1 SS1 ST1
SR2 SS2ST2
+
-
L
L
L
C
v’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
Co
nv
erti
do
res
co
n t
iris
tore
s
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
VLVL
VL VL
a = 90º
a = 30º a = 60º
a = 120º