Universidad de Oviedo Leccin 8 Convertidores CACC y

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 • Hasta los años 70, la mayor parte de la electrónica de potencia se basaba en el uso de tiristores (especialmente SCRs) como interruptores controlados Convertidores con tiristores • 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)

Rectificador trifásico no controlado de media onda i. R + v. S + + v. O - i S DS i. T Convertidores con tiristores i. O DR v. T + Montaje en cátodo común • Ejemplo: Vg = 325, 3 V (230 V eficaces) DT Si hay p fases: 400 v. O_med 200 0 -200 v. R -400 0 10 20 T [ms] v. S v. T 30 40

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

Rectificador trifásico no controlado de media onda i. R Montaje en ánodo común + DR 1 v. R Convertidores con tiristores v. T + v. S + i. O + v. O - i. S DS 1 i. T • Ejemplo: Vg = 325, 3 V (230 V eficaces) DT 1 400 200 v. R v. S 0 v. T -200 -400 v. O_med v. O 0 10 20 T [ms] 30 40

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

Rectificador trifásico no controlado de onda completa i. R + v. R v. O = v. P_0 - v. N_0 DR 1 - + + VO v. N_0 - v. S + DR 2 Convertidores con tiristores DT 1 v. P_0 - v. T + DS 1 DS 2 DT 2 + 600 • Ejemplo: Vg = 325, 3 V (230 V eficaces) v. O_med v. O 400 200 v. R 0 v. S v. T -200 -400 0 10 20 T [ms] 30 40

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

Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común i. R + TR v. T + v. S + i. S TS Convertidores con tiristores i. T i. O • Los diodos se sustituyen por SCRs • El disparo de los SCRs se retrasa un ángulo “a” respecto al cruce de las fases + v. O - • El funcionamiento depende de a y del carácter de la carga TT a 400 • Ejemplo: Ø Vg = 325, 3 V Ø a = 20º v. O 200 0 -200 v. R -400 0 10 20 T [ms] v. S v. T 30 40

Rectificador trifásico controlado de media onda Montaje en cátodo común • Cálculo de la tensión media de salida en función del ángulo de retraso a Convertidores con tiristores a v. O • Si hay p fases: ¡¡OJO!! Esta fórmula no es válida si la tensión en la carga queda enclavada en cero v. O_med

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

Rectificador trifásico controlado de media onda 400 v. O Montaje en cátodo común a = 20º • Formas de onda de corriente con carga muy inductiva y retrasos moderados 200 0 i. R i. S Convertidores con tiristores i. T 0 400 10 20 T [ms] v. R 30 40 a = 20º 400 200 0 0 v. R i. R a = 60º i. R 0 0 0 10 20 T [ms] 30 40

Rectificador trifásico controlado de media onda 400 v. O Montaje en cátodo común • Formas de onda de tensión y corriente con carga muy inductiva y 200 a = 90º 0 Convertidores con tiristores -200 v. R -400 0 400 10 v. S 20 v. R v. T 40 T [ms] 30 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? 200 0 i. R 0 0 v. O_med = 0 10 20 30 40 T [ms]

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

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda + Convertidores con tiristores v. T + T v. R i R R v. S + 230 V (eficaces) i. S i. T TS i. O v. O TT v. R v. T + 230 V (eficaces) i. R TR v. O - i. O - v. S + i. T TT Potencia v. O_med La batería se está cargando: 134, 5 V El circuito opera como rectificador a = 120º v. O 0 v. O_med + - v. O_med 0 + + i. S TS Carga muy inductiva + Potencia + a = 60º 134, 5 V v. O_med Inversor no autónomo La batería se está descargando: El circuito opera como inversor

Montaje en cátodo común Rectificador trifásico controlado de media onda + v. T + T v. R i R R v. S + i. S + TS v. O i. T Convertidores con tiristores Carga resistiva pura i. O TT • Si 0 < a < 30º, entonces v. O es como con carga muy inductiva • Si a > 30º, entonces v. O es distinta, ya que los SCRs se apagan al llegar su corriente a cero 400 • Ejemplo: Ø Vg = 325, 3 V Ø a = 45º v. O 200 0 -200 v. R -400 0 10 20 v. S v. T 30 40 T [ms]

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 a v. O Convertidores con tiristores v. O_med

Rectificador trifásico controlado de media onda 400 v. O 200 v. O_med Montaje en cátodo común • Formas de onda de tensión con carga resistiva pura 00 a = 45º v. O_med = 0, 601·Vg Convertidores con tiristores -200 v. R -400 0 10 v. S 20 v. T 30 40 T [ms] a = 120º 200 v. O_med = 0, 064·Vg v. O_med 0 -200 v. R -400 0 10 20 v. S v. T 30 40 T [ms]

Rectificador trifásico controlado de media onda 400 v. O Montaje en cátodo común a = 45º 200 • Formas de onda de corriente con carga resistiva pura 0 i. R i. S Convertidores con tiristores i. T 0 10 400 20 T [ms] v. R 30 40 a = 45º 200 400 v. R a = 120º 200 0 0 i. R 0 0 0 10 20 T [ms] 30 40

Rectificador trifásico controlado de onda completa i. R v. O = v. P_0 - v. N_0 v. R Convertidores con tiristores Para a £ 60º con cualquier tipo de carga o para cualquier a con carga muy inductiva: TR 1 + - + + VO v. N_0 - v. S + + TR 2 a 600 TT 1 v. P_0 - v. T + TS 1 TS 2 TT 2 v. O_med 400 • Ejemplo: Ø Vg = 325, 3 V Ø a = 20º v. O_med = 1, 554·Vg v. O 200 v. S v. R 0 v. T -200 -400 0 10 a 20 30 40 T [ms]

Rectificador trifásico controlado de onda completa 600 v. O 400 200 a = 60º 0 -200 Convertidores con tiristores • Formas de onda de tensión para cualquier a con carga muy inductiva v. R v. S v. O_med = 0, 827·Vg v. T 600 v. O 400 200 a = 75º 0 v. O_med = 0, 428·Vg -200 v. R 0 10 v. S 20 v. T Rectificador 30 40 T [ms]

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

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

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

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

Rectificador trifásico semicontrolado • Está compuesto por 3 SCRs y 3 diodos v. R v. O = v. P_0 - v. N_0 Para a £ 60º con cualquier tipo de carga: Convertidores con tiristores i. R TR + - - + DR DS DT v. O 400 v. O_med = 1, 604·Vg + VO v. S + v. O_med • Ejemplo: Ø Vg = 325, 3 V Ø a = 20º + v. N_0 a 600 TT v. P_0 - v. T + TS 200 v. R 0 v. S v. T -200 -400 0 10 20 30 40 T [ms]

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

Rectificadores trifásicos modernos (sin tiristores) SR 1 L v. R v. T + ST 1 + C + - L v. S + L Convertidores con tiristores SS 1 SR 2 SS 2 + VO - ST 2 • 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) El convertidor “Back-to-Back” SR 1 L v. R SS 1 ST 1 Convertidores con tiristores S’S 1 S’R 1 L’ + v’R C + - v. T + S’T 1 v. S L v’T L’ v’S + L SR 2 SS 2 ST 2 S’S 2 S’R 2 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

Convertidores CA /CA monofásicos sin cambio de frecuencia Reciben el nombre de “controladores de fase” + VL - Convertidores con tiristores + VL RV v. R Tr 1 a = 30º C 1 Di 1 a = 60º a VL + - VL a = 90º VL a = 120º • 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 C 1 alcanza la tensión de disparo del DIAC Di 1 (típicamente 30 V), se dispara el TRIAC Tr 1 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