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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

Universidad de Oviedo

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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. Introducción. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Universidad de Oviedo

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

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Co

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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

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Co

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erti

do

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co

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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:

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Co

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co

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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

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Co

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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)

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Co

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co

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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

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vO

vSvR

Co

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co

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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

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Co

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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

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Co

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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

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Co

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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

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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

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Co

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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

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Co

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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

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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

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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

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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

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Co

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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

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Co

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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

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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

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vO_med

vO

vSvR

Co

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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:

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Co

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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

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Co

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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

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Co

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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

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Co

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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

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Co

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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)

Page 26: Universidad de Oviedo

vO_med

vSvR

Co

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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:

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Co

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co

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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

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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

+

-

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Co

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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

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Co

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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