Lecture (05)Controlled Rectifier (

AC‐DC Power Converters)

By:

Dr. Ahmed ElShafee

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١

Introduction

• Controlled rectifiers are used for converting from AC to DC voltage, Its value can be controlled using thyristor, 

• Thyristor controls the output voltage by changing the value of the ignition (triggering) angle. 

• Thyristor triggered by applying pulse on its gate terminal

• Thyristor turns off, naturally in case of resistive loads, represented by resistance, but in case inductive loads (coils) is turned off by triggering another thyristor in the rectification circuit during the half negative of the wave cycle.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢

• The controlled rectifiers  known by their simplicity, high efficiency, low cost and therefore they are widely used inindustrial applications that require variable speeds 

• can be divided into 

– single phase controlled rectifiers

– Three phase controlled rectifiers

• Each Can be also classified into

– Half wave converter

– Semi converter

– Full wave converter

– Dual converter

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٣

Single Phase Half Wave AC/DC  Converter1. with resistive load only

• To create half wave converter use, only thyristor, driving a resistive load, 

• During +ve cycle, 

anode voltage > cathode voltage, 

then thyristor is in forward blocking ,

• When thyristor is triggered @ triggering (firing)  angle α, the input voltage will pass through thyristor to load

• When input voltage reaches 0 at ωt=π, no current pass to load

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٤

• In the –ve cycle, the 

cathode voltage > anode voltage, 

and thyristor becomes in reverse blocking mode, and can be triggered even pulse is applied to its gate.

• When new cycle begins ωt=2π, trigger pulse will appear on thyristor gate again

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٥

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٦

• Integrating the output voltage over the whole period  ( 0 to 2π)(area under curve) to get the average DC voltage 

• Average output DC voltage value can be controller through triggering (firing) angle α

• The main disadvantage that the output current is in‐conitnouswhich is not suitable in industrial applications.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٧

Example

• Single phase half wave AC/DC converter with 10 ohms resistive load of 10 ohms, source voltage is 208 V

1. Draw voltage and current through circuit

2. If firing angle  α = 45, find average output DC current

3. Firing angle to get 6 A average DC output current

4. Max load current

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٨

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٩

• To get 6 A output

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١٠

• Max load current

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١١

Single Phase Half Wave AC/DC  Converter1. with inductive and resestive load

• Most industrial loads like motors consists of inductive and  resistive load.

• The main difference, that when we fire the thyristor,  the is no immediate change in load current, due to presence of coil, which resists the immediate (AC) change in current

• When load voltage, become zero, and–ve cycle begins,  thyristor don’t immediately become in reverse state

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١٢

• And part of –ve signal appears on load, will thyristor current become 0 at angle β, which depends on load resistance and inductance,.

• Some time a free path diode is used to remove the –ve part of output volatge.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١٣

• The average output DC voltage is the integration of output voltage over the whole period (area under curve), with out free path diode (the –ve part is considered)

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١٤

• If the free path diode is used, ‐ve part is ignored, and the average output voltage will be 

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١٥

Single‐Phase Semi‐Converter

• A bridge full wave rectifier is used.

• Bridge contains two diodes and two thyristors.

• In +ve cycle, Q1 is fired @ angle ωt=α, current flows to load and diode D2, till input goltage reaches 0 @ ωt=π

• At period  π +α >ωt> π, free path diode D is forward, and acts as short circuit in parallel with load, and load current pass through it

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١٦

• At period  π +α >ωt> 2π, thyristor Q2 is fired, and current passes to load then D1, when input voltage reaches 0 volt at ωt= 2π, free path diode D will become forward, acts as short circuit in parallel with load, and output current will pass through it. 

• Cycle will repeat again at ωt= 2π

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١٧

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١٨

• To calculate the average output voltage, integrate the output voltage over the whole period

• Output voltage value can be controlled through firing angle α

• Output voltage of this converter is always positive

• Used in application that doesn’t need revere voltage (one quadrant)

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ١٩

Example

• Single‐Phase Semi‐Converter connected to resistive load = 15 ohm, and a very large inductive load, which us large enough to make the output current continuous and free of ripples.

• Input voltage is 208 V, find

– Load current if firing angle α = 60

– Firing angle to get average output voltage = 150 V

– Max output voltage

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢٠

• Firing angle to get average output voltage = 150V

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢١

• Max output voltage 

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢٢

Single‐ Phase Full ‐Wave Converter

• Bridge of 4 thyristors.

• In positive cycle, both Q1, and Q2 are in forward blocking mode, 

• @ ωt= α : firing angle, a pulse will be applied to thyristors gate, current will flow through thyristors to load, and back to source.

• Thyristors will remains in forward mode even after ωt= π (due to inductive load immediate current change immunity) 

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢٣

• When Q3, and Q4 are fired at @ ωt= α + π; they become forward and Q1, and Q2 become reversed. 

• Cycle will be repeated at ωt= 2 π

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢٤

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢٥

• Average output DC voltage calculated by integrating putout voltage over the period (α –( π+ α))

• Output voltage value can be controlled through firing angle α

• Output voltage of this converter can be +ve if α<90 and –ve if α>90

• Used in application need revere voltage (two quadrant)

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢٦

Example

• Single phase full wave converter,  drives load with resistance = 12 ohm, and the inductance is large enough to immune ripples and cause continuous current.

• Source voltage = 208 V

– Calculate load current if firing angle = 60

– Source dissipated power

– At the same current if firing angle become 120 calculate source dissipated power

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢٧

• Source power

• If firing angle = 120

• power

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢٨

Single ‐Phase Dual Converter

• Consists of two full wave converter  connected as shown

• It’s used in industrial applications , that needs to reverse voltage polarity and reverse current direction on loads.

• Like variable speed motors.

• When the left converter is active Q1,Q2,Q3,Q4 thyristors are on actions,  and voltage across load is

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٢٩

• When the right converter is active Q’1,Q’2,Q’3,Q’4 thyristors are on actions,  and voltage across load is

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٣٠

Three‐ Phase Half‐Wave Converter• Mainly used in industrial applications, due to high power and 

low ripple factor, that need simple filter circuit, to get smooth DC voltage.

• It consist of three thyristors, each connected to a single phase as follows

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٣١

• Q1 is being fired when it’s in forward blocking mode & ωt> π/6

• So the exact firing angle starts at ωt= π/6+ α

• Van appears  in load, till Q2 is being triggered at at ωt= 5π/6+α

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٣٢

• When Q2 is in forward  mode (on), a reverse voltage appears on Q1, which turns it off, and Vbn appears on load

• When Q3 is triggered @  ωt= 3π/2+ α, a reverse voltage appears on Q2, which turns it off, and Vcn appears on load

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٣٣

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٣٤

• The output voltage is smother and have a lower ripples factor

• The average output DC voltage, can be calculated by integrating voltage over the whole period (ωt= π/6+ α and 5π/6+ α )

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٣٥

Example

• A Three‐ Phase Half‐Wave Converter, connected to a resistive load = 10 ohm, while the inductive load value is enough to generate continuous DC wave, free of ripples. 

• Source voltage is 208 volts.

• Find

• Average DC load voltage/ current is firing angle = 30

• Average DC load voltage/ current is firing angle = 60

• Average DC load voltage/ current is firing angle = 90

• Max load voltage

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٣٦

• Firing angle = 30

• Firing angle = 60

• Firing angle = 90

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٣٧

• Max load voltage

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics ٣٨

Thanks,..

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Spring 2018, EPC403 Power Electronics 

٣٩