Cnvertidor Ac Dc
hunter178 de Septiembre de 2013
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ELECTRÓNICA DE POTENCIA
SISTEMAS DE CONVERSION AC_DC
RECTIFICADOR CONTROLADO
GUÍA DE CLASES
PROFESOR: AUGER AYÇAGUER H.
2006
Auger Ayçaguer 2006 EP_Conv_v6b.doc
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SISTEMAS DE CONVERSIÓN AC_DC
1. CONVERSOR O RECTIFICADOR CONTROLADO
Función.
El conversor trifásico, permite transformar tensión alterna trifásica en tensión continua de magnitud
ajustable. Permite un flujo bidireccional de potencia con una carga activa en el lado de continua.
Configuración.
La configuración corresponde a la de cualquier rectificador, reemplazando todos los diodos por
SCR.
Elementos de un Sistema de Conversión AC-DC (Diagrama de bloques)
R L E
Fuente Transformador SCR Filtro Carga
Vac Vcc
Metodología de análisis.
Con el propósito de establecer un modelo que represente al sistema no lineal en régimen
permanente, se adoptan las siguientes simplificaciones. Luego podrá incorporarse al modelo el
efecto de los parámetro del sistema real.
a) Tensión de alimentación alterna sinusoidal y simétrica:
va(t) = 2 V sen t
vb(t) = 2 V sen (t - 2/3)
vc(t) = 2 V sen (t + 2/3)
b) Transformador ideal:
La razón de transformación corresponde al nº de vueltas de los enrollados.
Resistencia de enrollados, Reactancia de fuga y Corriente de magnetización nulas.
c) SCR ideal para determinar las corrientes (Caida de tensión directa nula). Sin embargo, se
considerará el modelo linealizado por tramos del SCR para determinar sus pérdidas.
d) Filtro inductivo serie en el lado de continua (L ).
e) Carga del tipo R, L y E en serie.
Definiciones.
Voltaje continuo = Valor medio de la tensión en la carga:
0
1
( )
T
cc s V v t dt
T
Corriente continua = Valor medio de la corriente de salida:
0
1
( )
T
cc s I i t dt
T
Potencia continua: Pcc = Vcc Icc
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2. CONVERSOR TRIFÁSICO BIDIRECCIONAL ( 2 CUADRANTES) IDEAL.
2.1 Tensión continua en conversor bidireccional ideal.
Mediante el desplazamiento del ángulo de encendido de los SCR, proceso denominado control
de fase, se obtiene tensión continua ajustable (positiva, nula o negativa) de acuerdo a la siguiente
relación para el conversor ideal:
0
1 1
( ) cos
2
p
p
T
cc s m V v t dt p V t d t
T
cos 0 cc cco V V
: ángulo de disparo (encendido)
( 0, 0) ( ) / ( ) cco cc m V V u V sen p p
Se distinguen dos zonas de operación:
Régimen de Rectificación: 0 ≤≤π/2 Vcc > 0
Régimen de Inversión: π/2 ≤< π Vcc < 0
Fig.1: Tensión continua en función del ángulo de encendido.
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2.2 Corrientes.
La forma de onda de las corrientes en los SCR, transformador y líneas es similar a las de un sistema
rectificador salvo en su fase. Estas corrientes, de forma rectangular o escalonada, se desplazan junto
con el ángulo de encendido .
2.3 Potencia activa y Factor de potencia.
Pent = 3 VL IL1 cos1
IL1: corriente fundamental de línea.
1
: desfase entre la fundamental de corriente y la tensión fase neutro.
Asumiendo que Pent = Psal = Pcc = Vcc Icc , resulta la siguiente aproximación:
cos1 Vcc/Vcco = cos
: ángulo de encendido
La potencia activa será positiva, nula o negativa según el valor del ángulo .
FP = IL1 / IL * cos 1 = Factor de distorsión * Factor de desplazamiento
Ejemplo: En un conversor tipo puente de 6 SCR
IL1 = (23/) Icc IL = (2 /3) Icc
FP = (3/ ) cos = 0.955 cos
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3. CONVERSOR TRIFÁSICO BIDIRECCIONAL ( 2 CUADRANTES)
3.1 Efecto de la reactancia de dispersión del transformador
La presencia de reactancia en el lado de alterna (transformador y sistema) , obliga a una
transferencia gradual de la corriente de un SCR a otro, con lo cual habrá conducción simultánea de
dos tiristores. La conducción simultánea conduce a un cortocircuito momentáneo entre las dos fases
en conmutación. El efecto se traduce en una modificación de la onda de corriente en el SCR y una
reducción de la tensión continua a la salida del rectificador.
La duración de la transferencia se expresa mediante el ángulo de conmutación u (traslapo o
recubrimiento).
Fig.2: Efecto de la reactancia del lado de alterna.
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Siguiendo un procedimiento similar al caso del Rectificador de diodos, resulta la ecuación de
conmutación (Anexo 1):
[cos – cos (+ u) ] /2 = Icc /Vcco * pL / 2 para u < 2/q (1)
El ángulo de conmutación u crece al aumentar Icc o la inductancia L, y varía con el ángulo
como se muestra en la Fig.3.
Puede expresarse u en función del ángulo de conmutación inicial uo , correspondiente a α=0 , para
el mismo valor de corriente Icc:
cos – cos (+ u ) = 1 – cos uo (2)
Fig.3: Variación del ángulo u en función de para uo fijo (Icc = cte).
La caída de tensión continua provocada por la conmutación resulta:
i) Vcc = Vcco [cos – cos(+u) ] /2 (3)
ii) Vcc = Vcco (1 – cos uo) /2 (4)
iii) Vcc = (pL / 2) * Icc (5)
Nota 1: En esta ultima relación Icc corresponde a la corriente continua efectivamente conmutada
por cada SCR . En el caso de existir r conversores conectados en paralelo, la corriente total en la
carga será r * Icc , y la caída de tensión continua será:
Vcc = (p/r) (L/ 2) * (Icc_total / r)
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3.2 Efecto en la tensión continua a la salida del conversor.
La tensión continua considerando el efecto de la conmutación será Vcc = Vcco cos – Vcc
con lo cual se obtienen las siguientes expresiones para Vcc:
i) Vcc(,u) = Vcco [ cos + cos (+ u) ] /2 (1)
ii) Vcc(,uo) = Vcco [ cos – (1– cos uo) /2 ] (2)
iii) Vcc(,Icc) = Vcco cos – (pL / 2) * Icc (3)
La tensión continua para un ángulo fijo, decrece linealmente al aumentar Icc o la inductancia L.
Esta última relación puede representarse mediante un circuito equivalente, considerando
Rc = pL / 2 que se denomina Resistencia de conmutación aún cuando no disipa potencia.
Vcc = Vcco cos – Rc * Icc 0 máx (4)
Circuito equivalente en el lado de continua:
Si es relevante, puede incluirse la caída de tensión equivalente en los SCR y la caida de tensión en la
resistencia serie de la alimentación alterna.
Vcc = Vcco * cos – Rc * Icc – Rs * Icc – Vd
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3.3 Curvas características naturales del conversor
Fig.5: Curvas de Control: Vcc () con parámetro Icc = cte
Fig.6: Curvas de Regulación (Curvas de Carga): Vcc (Icc) con parámetro = cte
Estas curvas naturales pueden modificarse empleando lazos de control realimentado.
Por ejemplo, con un controlador realimentado de corriente (o tensión), el conversor actuará como
fuente de corriente (o tensión).
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3.4 Límite del ángulo de encendido en régimen de inversión.
: ángulo de encendido
u: ángulo de conmutación.
: ángulo de extinción.
El ángulo de extinción corresponde al periodo en que se aplica tensión negativa al SCR.
La relación entre estos ángulos es: + u + =
En régimen de inversión, el ángulo debe limitarse para asegurar un ángulo mínimo de extinción
correspondiente al tiempo de apagado (tq) del SCR: min = . tq
máx = - (u + min)
Dado que el ángulo de conmutación u depende además de la corriente, se requiere un controlador
del ángulo de extinción (CEA) para operar con seguridad y evitar fallas de conmutación.
Por ejemplo:
si tq = 200 useg y u = 25º, resulta min = 3,6º con lo cual máx = 151,4º
Obs.: En régimen de inversión dado que la tensión Vcc es negativa, las ecs (1) y (3) pueden
escribirse en forma alternativa, reemplazando = – ( + u):
Vcci = – Vcc = Vcco [cos + cos (+ u) ] /2
Vcci = – Vcc = Vcco cos – (pL / 2) * Icc
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3.5 Efecto en las Corrientes.
La forma de onda de las corrientes en los SCR, transformador y líneas difiere levemente respecto
del sistema rectificador con ángulo de conmutación uo. Las corrientes se desplazan en un ángulo
que en este caso depende de y u. Dado que u decrece al aumentar
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