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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.

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  1. 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

  2. Introducción • 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) Convertidores con tiristores

  3. Rectificador trifásico no controlado de media onda Montaje en cátodo común iR 400 vO + iO DR vO_med vR 200 + vT DS iS 0 + vO vS + - Si hay p fases: DT iT -200 vS vR vT Convertidores con tiristores • Ejemplo: • Vg = 325,3 V • (230 V eficaces) -400 0 10 20 30 40 T [ms]

  4. Montaje en cátodo común Rectificador trifásico no controlado de media onda 400 400 iR • Corriente por una fase vR vR Con carga muy inductiva 200 200 Con carga resistiva 0 0 -200 -200 Convertidores con tiristores T [ms] T [ms] -400 -400 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 iR

  5. Rectificador trifásico no controlado de media onda Montaje en ánodo común 400 vO_med 200 vR vS vT 0 -200 Convertidores con tiristores • Ejemplo: • Vg = 325,3 V • (230 V eficaces) -400 iR 0 10 20 30 40 T [ms] + iO DR1 vR + vT DS1 iS + vO vS + - vO DT1 iT

  6. Montaje en ánodo común Rectificador trifásico no controlado de media onda 400 400 • Corriente por una fase vR vR Con carga muy inductiva 200 200 Con carga resistiva 0 0 iR -200 -200 Convertidores con tiristores T [ms] T [ms] -400 -400 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 iR

  7. Rectificador trifásico no controlado de onda completa iR + vP_0 - - vO = vP_0- vN_0 vN_0 + 0 10 20 30 40 T [ms] Convertidores con tiristores 600 vO_med vO • Ejemplo: • Vg = 325,3 V • (230 V eficaces) DR1 DS1 DT1 400 + vR 200 + vR vS vT VO 0 vT - + vS + -200 DR2 DS2 DT2 -400

  8. Rectificador trifásico no controlado de onda completa 400 400 iR • Corriente por una fase vR vR Con carga muy inductiva 200 200 Con carga resistiva 0 0 -200 -200 Convertidores con tiristores T [ms] T [ms] -400 -400 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 iR

  9. Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común iR 400 • 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 + iO TR vR 200 vT + TS iS 0 + vO vS + - TT iT -200 a vR vS vT Convertidores con tiristores -400 • Ejemplo: • Vg = 325,3 V • a = 20º 0 10 20 30 40 T [ms] vO

  10. 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 vO_med a Convertidores con tiristores • Si hay p fases: ¡¡OJO!! Esta fórmula no es válida si la tensión en la carga queda enclavada en cero

  11. Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común vO • Formas de onda de tensión con carga muy inductiva y retrasos moderados 400 400 200 200 a = 45º 0 0 vO_med = 0,5848·Vg -200 -200 vR vR vS vS vT vT Convertidores con tiristores -400 -400 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 T [ms] T [ms] vO a = 60º vO_med = 0,4135·Vg

  12. Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común 400 a = 20º vO • Formas de onda de corriente con carga muy inductiva y retrasos moderados 200 0 iR iS iT 0 10 20 30 40 Convertidores con tiristores T [ms] 400 400 vR vR a = 60º a = 20º 200 200 0 0 iR iR 0 0 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 T [ms] T [ms]

  13. Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común vO 400 • Formas de onda de tensión y corriente con carga muy inductiva y a = 90º 200 0 vO_med = 0 -200 vR vS vT Convertidores con tiristores 400 -400 T [ms] 0 10 20 30 40 vR a = 90º 200 • 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? 0 iR 0 T [ms] 0 10 20 30 40

  14. Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común a = 120º 400 • Formas de onda de tensión y corriente con carga muy inductiva y a > 90º + vO 200 vO + 0 vO_med - - vO_med = -0,4135·Vg -200 vR vS vT Convertidores con tiristores + T [ms] 400 vO_med -400 • La tensión ha cambiado de signo y la corriente no. ¡¡Hace falta que la carga sea activa!! 0 10 20 30 40 vR vO a = 120º 200 + vO_med - - 0 iR 0 T [ms] Pasiva Activa 0 10 20 30 40

  15. Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda Carga muy inductiva vO a = 120º + + iO iO a = 60º iR TR TR iR vR vR 0 vT vT TS TS iS iS + + vS vS + + 230 V (eficaces) TT TT iT iT La batería se está cargando: El circuito opera como rectificador 134,5 V Potencia vO_med Convertidores con tiristores vO + + vO_med vO vO 0 + + vO_med vO_med - - - - Inversor no autónomo 230 V (eficaces) La batería se está descargando: El circuito opera como inversor 134,5 V Potencia

  16. Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda Carga resistiva pura + 400 iO TR iR vR • 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 200 vT + TS iS vO + vS + - 0 TT iT -200 vR vS vT Convertidores con tiristores -400 0 10 20 30 40 T [ms] vO • Ejemplo: • Vg = 325,3 V • a = 45º

  17. 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 vO_med a Convertidores con tiristores

  18. Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común vO • Formas de onda de tensión con carga resistiva pura 400 400 200 200 0 a = 45º 0 0 vO_med = 0,601·Vg -200 -200 vR vR vS vS vT vT Convertidores con tiristores vO_med vO_med -400 -400 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 T [ms] T [ms] a = 120º vO_med = 0,064·Vg vO

  19. Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común 400 a = 45º vO • Formas de onda de corriente con carga resistiva pura 200 iR 0 iS iT Convertidores con tiristores 0 10 20 30 40 400 400 T [ms] vR vR a = 120º a = 45º 200 200 0 0 iR iR 0 0 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 T [ms] T [ms]

  20. Rectificador trifásico controlado de onda completa iR TR1 TS1 TT1 + + vO = vP_0- vN_0 vP_0 - vR - + Para a £ 60º con cualquier tipo de carga o para cualquier a con carga muy inductiva: vN_0 VO vT + - + vS + a TR2 TS2 TT2 0 10 20 30 40 T [ms] Convertidores con tiristores 600 vO_med vO 400 • Ejemplo: • Vg = 325,3 V • a = 20º 200 vS vT a vR 0 vO_med = 1,554·Vg -200 -400

  21. Rectificador trifásico controlado de onda completa • Formas de onda de tensión para cualquier a con carga muy inductiva vO a = 60º vO_med = 0,827·Vg 0 10 20 30 40 vS T [ms] vR vT Convertidores con tiristores 600 600 vO 400 400 200 200 a = 75º 0 0 vO_med = 0,428·Vg vS -200 -200 vR vT Rectificador

  22. Rectificador trifásico controlado de onda completa • Formas de onda de tensión para cualquier a con carga muy inductiva vR vT vS vO vS vR vT a = 90º vO_med = 0 0 10 20 30 40 T [ms] Frontera rectificador-inversor Convertidores con tiristores 600 400 400 200 200 0 a = 120º 0 -200 vO_med = -0,827·Vg -200 -400 Inversor no autónomo vO

  23. Rectificador trifásico controlado de onda completa • Formas de onda de corriente con carga muy inductiva Rectificador Rectificador iR iR Convertidores con tiristores 400 400 400 400 vR vR vR vR a = 120º a = 60º a = 90º a = 20º 200 200 200 200 Frontera Inversor 0 0 0 0 iR iR 0 0 0 0 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 T [ms] T [ms]

  24. Rectificador trifásico controlado de onda completa • Formas de onda de tensión con carga resistiva pura (para a £ 60º es igual que con carga inductiva) vO a = 60º vO_med = 0,827·Vg 0 10 20 30 40 vS T [ms] vR vT Convertidores con tiristores 600 600 a = 90º 400 400 vO 200 200 0 0 vO_med = 0,222·Vg vS -200 -200 vR vT

  25. Rectificador trifásico controlado de onda completa • Formas de onda de corriente con carga resistiva pura iR iR iR (carga muy inductiva) iR (carga muy inductiva) iR (carga muy inductiva) iR (carga muy inductiva) Convertidores con tiristores 400 400 400 400 vR vR vR vR a = 20º a = 90º a = 60º a = 0º 200 200 200 200 0 0 0 0 iR iR 0 0 0 0 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 T [ms] T [ms]

  26. Rectificador trifásico semicontrolado iR TR TS TT • Está compuesto por 3 SCRs y 3 diodos + + vP_0 - vR - + vO = vP_0- vN_0 vN_0 VO vT + Para a £ 60º con cualquier tipo de carga: - + vS + a DR DS DT 0 10 20 30 40 T [ms] Convertidores con tiristores 600 vO_med vO 400 • Ejemplo: • Vg = 325,3 V • a = 20º 200 vS vT vR 0 vO_med = 1,604·Vg -200 -400

  27. Rectificador trifásico semicontrolado • Formas de onda de tensión para carga inductiva o resistiva vO a = 45º vO_med = 1,412·Vg 0 10 20 30 40 vS T [ms] vR vT Convertidores con tiristores 600 600 vO a = 90º 400 400 vO_med = 0,827·Vg 200 200 0 0 Nunca hay tensión negativa en la carga (los diodos lo impiden) vS -200 -200 vR vT

  28. Rectificadores trifásicos modernos (sin tiristores) SR1 SS1 ST1 L Convertidores con tiristores + vR • 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 + C + VO vT - L + - vS + L SR2 SS2 ST2

  29. Rectificadores trifásicos modernos (sin tiristores) El convertidor “Back-to-Back” SR1 SS1 L ST1 + vR C + vT - L + vS + L ST2 SR2 SS2 Convertidores con tiristores S’R1 S’S1 L’ S’T1 v’R • 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 v’T L’ v’S S’T2 L’ S’R2 S’S2

  30. Convertidores CA /CA monofásicos sin cambio de frecuencia Reciben el nombre de “controladores de fase” VL VL a = 30º a = 60º VL VL a = 120º a = 90º a Convertidores con tiristores VL + - • 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 RV Tr1 + vR + Di1 C1 -

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