rectificadores controlados

Encuentro de Investigación en IE, 17—18 Marzo, 2005
Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica
Zacatecas, Zac, Marzo 17 —18, 2005
RECTIFICADORES CONTROLADOS
(CONVERTIDOR TRIFÁSICO CA-CD)
José Jimmy Jaime Rodríguez,
I. Campos Cantón,
Pablo Salas Castro,
Abel Vázquez Ramos,
Facultad de Ciencias,
Electrónica de Potencia, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Álvaro Obregón 64, CP78000. San Luis Potosí, S.L.P., México.
TEL: (444) 8 26 23 17, Fax (444) 8 26 23 18, correo-e: [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected]
Resumen — En este proyecto se hace un estudio y simulación del proceso de conversión de
corriente analógica a corriente directa (ca-cd) mediante un puente rectificador trifásico
completo conectado en estrella[4]. Para obtener voltajes de salida controlados, se utilizan
tiristores de control de fase en vez de diodos.
Abstract —In this project we make a study and simulation of the process of conversion acdc through a complete three-phase rectifier connected in Y. In order to obtain controlled
output voltages, thyristors of control of phase instead of diodes are used.
Palabras clave — Rectificador, Tiristor, Trifásico.
E
I. INTRODUCCIÓN
STOS rectificadores controlados por fase son llamados así debido a que podemos controlar
su voltaje de salida por medio del ángulo de disparo o retraso
de los Tiristores o
Rectificadores Controlados de Silicio (SCR’s)[2].
Un tiristor de control de fase se activa aplicándole un pulso corto a su compuerta y se
desactiva debido a la conmutación natural o de línea. Dicho pulso lo podemos controlar con el
ángulo de disparo desde 0 hasta (1800).
Al utilizar tiristores de control de fase en vez de diodos, podemos obtener voltajes de salida
controlados y los podemos usar en aplicaciones industriales, especialmente en propulsores de
velocidad variable, cargadores de baterías y una clase de drives de motores a.c. y d.c[3].
Estos convertidores de fase se clasifican en monofásicos y trifásicos, dependiendo de la
fuente de alimentación, y se pueden subdividir en:
1) Semiconvertidor (un cuadrante, proporciona voltaje y corriente de salida positivos).
1
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2) Convertidor completo (dos cuadrantes, la polaridad de su voltaje de salida puede ser positiva
o negativa, sin embargo, la corriente de salida solo tiene una polaridad y es positiva).
3) Convertidor dual (cuatro cuadrantes, tanto su voltaje como su corriente de salida pueden ser
positivos o negativos).
Para analizar el rendimiento de los convertidores controlados por fase con carga RL se puede
aplicar el método de las series de Fourier, similar al de los rectificadores con diodos[2]. Sin
embargo, a fin de simplificar el análisis, se puede suponer que la inductancia de carga es lo
suficientemente alta para que la corriente de carga se considere continua y tenga una componente
ondulatoria despreciable.
En este trabajo veremos en forma particular el estudio y simulación[1] del rectificador trifásico
completo o también llamado convertidor trifásico, usando tiristores.
II. CONTENIDO
A. Teoría del Convertidor Trifásico Completo
Este convertidor se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales hasta el nivel de 220kW, en las
que se requiere de una operación en dos cuadrantes. En la Figura 1 se muestra un circuito de un
convertidor trifásico completo, con una carga altamente inductiva. Este circuito se conoce como
puente trifásico. Los tiristores se disparan a intervalos de /3. En t= /6+ , el tiristor T6 ya conduce
y el tiristor T1 se activa. Durante el intervalo /6+
t /2+ conducen T1 y T6 y a través de la
carga aparece el voltaje de línea a línea Vab=Van-Vbn.
En t= /2+ , T2 se dispara y T6 de inmediato invierte su polaridad. T6 se desactiva debido a la
conmutación natural. Durante el intervalo /2+
t 5 /6+ , T1 y T2 conducen y el voltaje de línea
a línea, Vca, aparece a través de la carga.
Si los tiristores se enumeran tal y como se muestra en la Figura 1, la secuencia de disparo es: 12, 23,
34, 45, 56 y 61.
Definiendo los voltajes de línea a neutro como:
Figura 1. Circuito del Convertidor Trifásico Completo.
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v an = Vm sen(ωt )
donde:
(1)
vbn = Vm sen ωt −
2π
3
(2)
vcn = Vm sen ωt +
2π
3
(3)
Vm Amplitud del Voltaje de Entrada
=2 f Frecuencia Angular
f Frecuencia
los voltajes línea a línea correspondientes son:
v ab = v an − vbn = 3Vm sen ωt +
vbc = vbn − vcn = 3Vm sen ωt −
π
6
π
(5)
2
vca = v cn − v an = 3Vm sen ωt +
(4)
π
2
(6)
el voltaje promedio de salida se determina a partir de:
Vcd =
3 3Vm
π
cos(α )
(7)
El valor rms del voltaje de salida se determina a partir de:
Vrms = 3Vm
1 3 3
+
cos(2α )
2 4π
1
2
(8)
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B. Simulación del Convertidor Trifásico Completo
Para llevar a cabo este análisis se utilizó el software PSPICE 5.3 para la simulación del circuito. La
primera opción que se utilizó fue la de Schematics para desarrollar el circuito como se muestra en
la Figura 2.
Figura 2. Diagrama del Convertidor Trifásico Completo Para la Simulación en PSpice.
Después se utilizó la opción Setup que se encuentra en el submenú Análisis, ahí se escogieron las
opciones de Temperatura y Análisis Transitorio.
La Tabla 1 muestra los parámetros de los elementos utilizados para la simulación del convertidor
trifásico completo. Donde podemos observar también que: Vm=169.83 V, f=60Hz, hay un
desfasamiento de 1200 entre cada voltaje de línea a neutro y que el primer pulso comienza en VG1=
/6+ = /2=4.16666ms.
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TABLA I
Convertidor Trifásico Completo
** Analysis setup **
tran
Van
Vbn
Vcn
X1
X4
X3
X6
X5
X2
RL
L
VG1
01
02
03
04
0
02
0
03
0
12
12
06
n
n
n
06
07
08
09
10
11
05
0
05
VG3
08
05
VG5
10
05
VG2
11
03
VG6
09
02
VG4
07
04
R1
R3
R5
R4
R6
R2
C1
C3
C5
C4
C6
C2
V10
13
14
15
16
17
18
04
02
03
0
0
0
01
05
05
05
04
02
03
13
14
15
16
17
18
04
TEMPERATURE
05
04
05
02
05
03
100us 0.05s
100us
SIN(0 169.83 60 0 0 0)
SIN (0 169.83 60 0 0 -120)
SIN (0 169.83 60 0 0 -240)
2N2577
2N2577
2N2577
2N2577
2N2577
2N2577
10
1.5mH
PULSE (0 10 4.1666ms 0 0 0.0001
16.6666ms)
PULSE (0 10 9.722ms 0 0 0.0001
16.6666ms)
PULSE (0 10 15.277ms 0 0 0.0001
16.6666ms)
PULSE (0 10 6.94ms 0 0 0.0001
16.6666ms)
PULSE (0 10 18.055ms 0 0 0.0001
16.6666ms)
PULSE (0 10 12.5ms 0 0 0.0001
16.6666ms)
1k
1k
1k
1k
1k
1k
0.1u
0.1u
0.1u
0.1u
0.1u
0.1u
dc (0)
27.000 DEG C
Análisis de Transiente
Voltaje Van
Voltaje Vbn
Voltaje Vcn
Tiristor X1
Tiristor X4
Tiristor X3
Tiristor X6
Tiristor X5
Tiristor X2
Resistencia de carga RL
Inductor L
Fuente para pulso de compuerta del
tiristor X1
Fuente para pulso de compuerta del
tiristor X3
Fuente para pulso de compuerta del
tiristor X5
Fuente para pulso de compuerta del
tiristor X2
Fuente para pulso de compuerta del
tiristor X6
Fuente para pulso de compuerta del
tiristor X4
Resistencia de protección R1
Resistencia de protección R3
Resistencia de protección R5
Resistencia de protección R4
Resistencia de protección R6
Resistencia de protección R2
Capacitor de protección C1
Capacitor de protección C3
Capacitor de protección C5
Capacitor de protección C4
Capacitor de protección C6
Capacitor de protección C2
Fuente de voltaje V10 para medir la
corriente aplicada
Temperatura
Las formas de onda obtenidas de la simulación para un ángulo de disparo =600 y una carga R=10
ohms y L=1.5mH se muestran en la Figura3:
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Figura 3. Formas de Onda Para una Carga RL y =600.a) Voltaje de entrada. b) Pulso aplicado a la compuerta del tiristor.
c) Voltaje de salida. d) Corriente de salida.
III. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
Se pudo comprobar en la teoría como en la simulación que al medir la corriente de salida con una
carga altamente inductiva esta corriente es continua y al medir esta misma corriente para una carga
RL con el inductor no muy grande la corriente varía, también se comprobó que este convertidor
funciona en dos cuadrantes ya que la polaridad del voltaje de salida puede ser positiva o negativa
dependiendo del ángulo de disparo pero la polaridad de la corriente de salida siempre es positiva.
También se comprobó que el máximo voltaje promedio de salida (Vcd) ocurre cuando el ángulo de
retraso =0, en = /2 Vcd=0 y Vcd toma su valor mínimo cuando = y debido a esto los parámetros
de rendimiento del convertidor dependen del ángulo de disparo .
En un futuro se planea armar el circuito físicamente y comprobar todo lo anterior.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
John Q. Attla, “PSpice and Matlab for electronics and integrated approach”, CRC Press, pp.3-105.
Muhammad H. Rashid, “Electrónica de potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones”, 2a. ed., Prentice Hall, pp. 96–129.
Ned Mohan, Tore M. Undelan, William P. Robbins, “Power Electronics”, 2a. ed., Editorial John Wiley y Sons Inc., pp.121-158.
William H. Hayt, Jr., Jack E: Kemmerly, Steven M. Durbin, “Análisis de circuitos en ingeniería”, 6a. ed., McGraw-Hill, pp. 449–
479.