Electronica de Potencia Rashid 3Ed cap 10

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Electronica de Potencia Rashid 3Ed

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  • CAPTULO 1 O

    Rectificadores controlados

    Los objetivos de aprendizaje para este captulo son los siguientes:

    Comprender la operacin y las caractersticas de los rectificadores controlados Aprender los tipos de rectificadores controlados Comprender los parmetros de rendimiento de los rectificadores controlados Aprender las tcnicas para analizar y disear circuitos de rectificadores controlados Aprender las tcnicas para simular rectificadores controlados usando SPICE Estudiar los efectos de la inductancia de carga sobre la corriente en la carga

    10.1 INTRODUCCiN

    Ya vimos en el captulo 3 que los diodos rectificadores proporcionan slo un voltaje de salidafijo. Para obtener voltajes de salida controlados, se usan tiristores con control por fase en lugarde diodos. El voltaje .de salida de los rectificadores de tiristor se vara controlando el ngulo deretardo o de disparo de los tiristores. Un tiristor controlado por fase se activa aplicando un pulsocorto a su compuerta, y se desactiva por conmutacin natural o de lnea; en caso de que la cargasea muy inductiva, se desactiva disparando otro tiristor del rectificador durante el medio ciclonegativo del voltaje de entrada.

    Estos rectificadores controlados por fase son sencillos y menos costosos, y su eficienciaes, en general, superior al 95%. Como convierten de ea a cd, a esos rectificadores controladosse les llama tambin convertidores ca-cd, y se usan en forma extensa en aplicaciones industriales,en especial en propulsores de velocidad variable, desde potencia fraccionaria hasta niveles demegawatts,

    Los convertidores controlados por fase se pueden clasificar en dos tipos, que dependen dela alimentacin: 1) convertidores monofsicos y 2) convertidores trifsicos. Cada uno de esostipos se puede subdividir en a) semiconvertidor, b) convertidor completo y e) convertidor dual.Un semiconvertidor es un convertidor de un cuadrante, y tiene su voltaje y corriente de salida deuna polaridad. Un convertidor completo es uno de dos cuadrantes, y la polaridad de su voltajede salida puede ser positiva o negativa. Sin embargo, la corriente de salida del convertidor comple-to slo tiene una polaridad. Un convertidor dual puede operar en cuatro cuadrantes y su voltaje ycorriente de salida pueden ser positivos o negativos. En algunas aplicaciones, los convertidores

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  • 432 Captulo 10 Rectificadores controlados

    se conectan en serie para operar a mayores voltajes, y para mejorar el factor de potencia (PF) enla entrada.

    Para analizar los rendimientos de los convertidores controlados por fase con cargas RL, sepuede aplicar el mtodo de series de Fourier, en forma parecida a los diodos. Sin embargo, parasimplificar el anlisis se puede suponer que la inductancia de carga es suficientemente alta comopara que la corriente en la carga sea continua y tenga rizo despreciable.

    10.2 PRINCIPIO DE OPERACiN DEL CONVERTIDOR CONTROLADO POR FASE

    Veamos el circuito de la figura LO.Ia, con una carga resistiva. Durante el medio ciclo positivo delvoltaje de alimentacin, el nodo del tiristor es positivo con respecto a su ctodo, y se dice que eltiristor est polarizado en forma directa. Cuando se dispara el tiristor T en wt =

  • 10.2 Principio de operacin del convertidor controlado por fase 433

    voltaje de entrada comienza a ser positivo y se dispara el tiristor en wt = ex, se llama ngulo de re-tardo o de disparo ex.

    La figura 10.lb muestra la regin de operacin del convertidor, donde el voltaje y la corrien-te de salida tienen una sola polaridad. La figura 10.lc muestra las formas de onda del voltaje deentrada, voltaje de salida, corriente en la carga y voltaje a travs de TI' Este convertidor no se usaen el caso normal en aplicaciones industriales, porque su salida tiene un alto contenido de rizo debaja frecuencia. Sin embargo, explica el principio del convertidor monofsico de tiristor. Si f. es lafrecuencia de la alimentacin de entrada, la frecuencia mnima del rizo de voltaje de salida es f..

    Si Vm es el voltaje pico de entrada, el voltaje promedio de salida, Ved, se determina con:

    1 r VVed = 2TIJa Vmsenwtd(wt) = 2; [-coswt]~

    Vm= - (1 + cos a)2TI

    (10.1)

    y Vedpuede variar desde V"lIT hasta O, variando ex de O a TI.El voltaje promedio de salida se vuel-ve mximo cuando ex = O, Y el voltaje mximo de salida Vdm es

    VmVd =-m TI (10.2)

    Se normaliza el voltaje de salida con respecto a Vdm,y el voltaje normalizado es

    VedVn = -V = 0.5(1 + cosa)

    dm(10.3)

    El voltaje raz cuadrtica media (rms) de salida es

    [V2 r ]1124; J a (1 - cos 2wt) d (wt )

    (10.4)

    Secuencia de disparo. La secuencia de disparo para el tiristor es la siguiente:

    1. Generar un pulso de seal en el cruce con cero positivo del voltaje de alimentacin VS'2. Retardar el pulso el ngulo a deseado y aplicarlo entre las terminales de compuerta y cto-

    do de TI a travs de un circuito de aislamiento de compuerta.

    Nota: Tanto el voltaje de salida como la corriente de entrada no son sinusoidales. El rendi-miento de un rectificador controlado se puede medir con los mismos parmetros que los de los dio-dos rectificadores en la seccin 3.3, como son el factor de distorsin (DF), distorsin armnica total(THD), Fp, factor de utilizacin de transformador (TUF) y factor armnico (HF).

    Ejemplo 10.1 Determinacin de los rendimientos de un convertidor monofsico de tiristor

    Si el convertidor de la figura 1O.la tiene una carga R puramente resistiva, y el ngulo de retardo es Ct = 7T/2,determinar a) la eficiencia de rectificacin; b) el factor de forma (FF); e) el factor de rizo (RF); d) el TUF, ye) el voltaje pico inverso (PIV) del tiristor TI'

  • 434 Captulo 10 Rectificadores controlados

    SolucinEl ngulo de retardo es a = 71/2.De acuerdo con la ecuacin (10.1), V cd = 0.1592V m e led = O.1592VmlR. Dela ecuacin (10.3), Vn = 0.5. De la ecuacin (lOA), V rms = 0.3536V m e Irms = 0.3536V mlR. De la ecuacin (3.1),Ped = Vcd/ed = (0.1592V m)21R, y de la ecuacin (3.2), Pea = Vrmirms = (0.3536V m)21R.

    a. De acuerdo con la ecuacin (3.3), la eficiencia de rectificacin es

    Ped (0.1592V m)21) = - = 2 = 20.27%

    Pea (0.3536V m)

    b. De acuerdo con la ecuacin (3.5), el FF es

    FF = Vrms = 0.3536V m = 2.221 O 222.1%Ved 0.1592V m

    c. De acuerdo con la ecuacin (3.7), el RF = y(FF2 - 1 = (2.2212 - 1)1/2 = 1.983, es decir198.3%.

    d. El voltaje rms del secundario del transformador es V s = Vm/V2 = 0.707V m' El valor rms de lacorriente en el secundario del transformador es igual que el de la carga, I, = 0.3536V mlR. La es-pecificacin de voltamperes (VA) para el transformador es VA = Vsls = 0.707Vm X 0.3636VmIR.Segn la ecuacin (3.8),

    = Ped = 0.15922

    = 01014 1TUF vL, 0.707 X 0.3536 . Y TUF = 9.86

    El FP es aproximadamente igual al TUE Por consiguiente, FP = 0.1014.e. El PIV = Vm.

    Nota: el rendimiento del convertidor disminuye con valores altos del ngulo ex de retardo.

    Puntos clave de la seccin 10.2

    Al variar el ngulo a de retardo de Oa TI, se puede variar el voltaje promedio de salida des-de Vmi TI hasta O.

    El transformador en la entrada puede conducir corriente cd, y con ello causar un problemade saturacin magntica.

    10.3 CONVERTIDORES MONOFSICOS COMPLETOS

    En la figura 1O.2a se muestra el arreglo del circuito de un convertidor monofsico completo, conuna carga muy inductiva, de tal modo que la corriente en la carga es continua y no contiene rizo[10]. Durante el medio ciclo positivo, los tiristores TI y T2 tienen polarizacin directa, y cuandose disparan en forma simultnea esos dos tiristores, en wt = ex, la carga se conecta a la fuente dealimentacin a travs de TI y T2 Debido a la carga inductiva, los tiristores TI y T2 continan con-duciendo despus de wt = TI, aun cuando el voltaje de entrada sea ya negativo. Durante el mediociclo negativo del voltaje de entrada, los tiristores T3 y T4 tienen polarizacin directa, y el dispa-ro de esos tiristores aplica el voltaje de alimentacin a travs de los tiristores TI y T2 en forma de

  • voltaje de bloqueo inverso. TI y T2 se desactivan por conmutacin de lnea o natural, y la corrientede carga es transferida de T y T2 a T3 y T4' La figura 10.2b muestra las regiones de operacin delconvertidor, y la figura 1O.2cmuestra las formas de onda del voltaje de entrada, voltaje de saliday corrientes de entrada y de salida.

    Durante el periodo de a a 'TT, el voltaje de entrada Vs y la corriente de entrada is son po-sitivos, y la potencia pasa de la fuente a la carga. Se dice que el convertidor se opera en modo derectificacin. Durante el periodo de 'TT a 'TT + a, el voltaje de entrada Vs es negativo y la corrientede alimentacin is es positiva, y pasa potencia inversa de la carga a la fuente. Se dice que el con-vertidor est operado en modo de inversin. Este convertidor se usa en forma extensa en aplica-ciones industriales hasta de 15 kW [1]. Dependiendo del valor de a, el voltaje promedio de salidapodra ser positivo o negativo, y proporciona una operacin en dos cuadrantes.

    El voltaje promedio de salida se puede calcular a partir de

    2 (1T.+a, 2VVed = 2'TTJa Vmsenwtd(wt) = 2'TTm[-Coswt]~+a

    2Vm= --cosa'TT

    (10.5)

  • [2'lT+0< ]112

    Vrms = 21T O< V~ sen2 wt d(wt)

    Vm=-=v:v'2 s

    [V2'lT+0< ]1122: O< (1 - cos 2wt) d(wt)

    (10.7)

    436 Captulo 10 Rectificadores controlados

    y Ved se puede variar desde 2V m/1T hasta -2V m/1T, haciendo variar a o: desde O hasta 1T. El vol-taje promedio mximo de salida es Vdm = 2V m/1T, yel voltaje promedio normalizado de sali-da es

    VedVdm

    cos o: (10.6)

    El valor rms del voltaje de salida es

    Con una carga puramente resistiva, los tiristores TI y T2 pueden conducir desde o: a 1T, y los tiris-tores T3 y T4 pueden conducir desde o: + 1T hasta 21T.