rectificacion trifasica de onda completa a tiristores

Electrónica de Potencia
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5 – RECTIFICACION TRIFASICA DE ONDA COMPLETA A TIRISTORES
5-1 FUNCIONAMIENTO
T6
T2
R
Carga
vs3
vp3
vp1
vs2
vs1
+ Uco -
T4
S
vp2
Ico
T
T1
T3
T5
(a)
Fig.18: Rectificador Trifásico de onda completa a Tiristores.
a) Circuito.
b) Tensiones de entrada al rectificador y tensión de salida (u) en la carga.
c) Tensión en bornes del tiristor T1 y corrientes i(R) para una carga resistiva
pura, e i(L) para carga inductiva pura.
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La fig.18-a muestra el circuito simplificado del rectificador trifásico controlado de onda
completa (o rectificador puente trifásico controlado R.P.T.C.). Los tiristores se
conectan en puente trifásico y al igual que en el circuito a diodos no se utiliza la
conexión de neutro.
•
•
El transformador provee las tres tensiones secundarias de fase, pero la tensión
rectificada que aparece en la carga es la compuesta entre dos fases.
En consecuencia para que exista circulación de corriente, es necesario que dos
tiristores de distinta fase conduzcan al mismo tiempo; “caso contrario no funciona”;
si embargo la secuencia de encendido y su correspondiente cese de conducción es de
un tiristor por vez.
•
En las figs.18-b y c se ven las ondas de tensiones y corrientes que tienen lugar en
este rectificador para un ángulo de encendido θ .1 = 30° , observándose que resultan
idénticas al funcionamiento con diodos (fig.20 de la primera parte).
•
De hecho, cada uno de los seis tiristores comienza a conducir con el mismo ángulo
θ .1 respecto a su tensión de fase y semiciclo de conducción.
Los tiristores T1; T3 y T5 conducen con los semiciclos positivos de las respectivas
tensiones vs1; vs2 y vs3 mientras que los T4; T6 y T2 lo hacen con los semiciclos
negativos de dichas tensiones.
La secuencia de encendido y el periodo de conducción de 120° de cada tiristor se
encuentran indicados en dicha figura.
•
•
•
La forma normal de trabajo de este rectificador es a corriente ininterrumpida, de
manera que los tiristores permanecen activados durante 120° cada uno.
No obstante, se verá más adelante que es posible hacerlo trabajar a corriente
pulsante, siempre que el circuito de control esté preparado para brindar pulsos de
confirmación.
•
La pulsación de la tensión rectificada es p = 6 y su forma de onda será siempre
una porción de senoide de la tensión compuesta fase-fase.
•
La corriente en la carga sólo tendrá la misma forma de onda que la tensión si la
carga es resistiva pura.
Si la carga es RL, la corriente presentará un menor contenido armónico y será más
alisada cuanto mayor es L respecto a R.
La corriente podrá ser continua ó pulsante para cualquier carga R; RL; ó RLE,
dependiendo de dichos parámetros y del ángulo de encendido.
•
•
•
•
•
El ángulo de encendido mínimo posible es θ .1m = 30° y puede deducirse
facilmente suponiendo que los tiristores se encuentran excitados en forma
permanente y por tanto se comportarán como diodos.
La tensión inversa máxima ( TIC ) que soporta cada tiristor es 3.Vm .
La tensión directa máxima ( TDM ) que soporta cada tiristor también vale 3.Vm
y se da para ángulos de encendido mayores a 60° como se verá más adelante.
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Previo a realizar el estudio de las tensiones y corrientes es conveniente analizar el
funcionamiento del circuito con distintos ángulos de encendido para reconocer las
formas de ondas que tienen lugar.
En la fig 19 se muestran las ondas correspondientes para un ángulo de encendido
θ .1 = 60° , pudiéndose observar la modificación que se ha producido en la tensión
rectificada ( u ) y el desplazamiento del periodo de conducción de los tiristores .
Este periodo sigue siendo de 120° para cada tiristor y aún en el caso de carga resistiva
pura, la corriente no llega a tocar el cero en ningún momento.
Fig.19: Ondas de tensiones y corrientes del R.P.T.C. para θ .1 = 60° .
Con un ángulo de encendido mayor, precisamente para θ .1 = 90° y carga resistiva pura,
la corriente llega a tocar el cero al final de cada conmutación como muestra la fig.20-a.
Así, cuando conducen los tiristores T1 y T6 la conducción no puede prolongarse más
allá del cruce entre las tensiones vs1 con vs2 en 5π / 6 , momento en que precisamente
se enciende el tiristor T2 y la conducción continúa ahora entre vs1 y vs3 y los tiristores
permanecen conduciendo aún 120° cada uno.
• Esto nos dice que si el encendido se hace con un ángulo mayor a 90° y la carga es
resistiva pura, el circuito no puede funcionar a menos que se dispongan de pulsos de
confirmación ó pulsos suficientemente anchos cuya duración sea mayor de 60°, pero
la corriente resultará discontinua.
Para cargas RL, con este ángulo de encendido la corriente no toca el cero, como se ve
en la fig. 20-b.
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De hecho, para carga R ó RL el valor máximo que puede alcanzar θ .1 es 150° que
corresponde al cruce de las tensiones de fase y la potencia activa entregada a dicha
carga será nula.
Los pulsos angostos que se ven sobre la onda vT1, son transitorios que se producen en
cada conmutación debido al tiristor que está finalizando su conducción sin que el
siguiente esté totalmente encendido.
•
Fig.20: a) R.P.T.C. para θ .1 = 90° y carga R pura se llega al límite de corriente
ininterrumpida.
b) Con el mismo ángulo de encendido y carga RL la corriente no toca el cero
Un ejemplo de corriente discontinua con carga resistiva pura se ve en la fig.21 donde se
han utilizado pulsos de gate que tienen un ancho mayor a 60°.
La excitación tiene lugar en θ .1 = 120° y la conducción se establece entre T1 y T6 y
finaliza en θ .2 = 150° donde se cruzan las tensiones vs1 y vs2. Dado que el pulso
persiste en T1, se reinicia la conducción en θ . * 1 = π que corresponde a los 120° del
T2 y vuelve a finalizar en θ * 2 = 210° , donde se cruzan las tensiones vs1 y vs3.
Puede notarse que aunque vs1 es negativa, la conducción tiene lugar ya que esta tensión
es menos negativa que vs3 y por tanto los dos tiristores quedan con polarización positiva
(vs1-vs3 >0).
La tensión u en la carga resulta ser una pequeña fracción de la senoide compuesta
entre las dos tensiones simples rectificadas y su forma de onda es la indicada en dicha
figura, que a su vez representa a la corriente para una resistencia de carga unitaria.
Cabe observar que la pulsación es invariable p = 6.
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Fig.21: R.P.T.C. con carga resistiva y ángulo de encendido mayor a 90° ( θ .1 = 120° )
La corriente resulta discontinua.
•
En la fig.22 la carga es RL con el mismo ángulo de encendido de 120°, pero la
conducción ahora se prolonga más allá del cruce de las tensiones en 150° debido a la
energía reactiva de la carga.
Fig.22: R.P.T. con carga RL y θ .1 = 120° . La corriente es discontinua.
Entre θ .1. y. 5π
entre 5π
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la fuente entrega energía activa y reactiva a la carga, mientras que
6
y θ .2 la carga devuelve la energía reactiva a la fuente a través de los dos
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mismos tiristores T1 y T6 que estaban conduciendo, repitiéndose esta operación en
cada pulsación.
Este funcionamiento puede explicarse con la ayuda de la fig.23 que es idéntica a la
anterior, habiéndose agregado la tensión vL de la inductancia de carga.
Fig. 23: R.P.T.C. transferencia de energía entre fuente y carga RL.
Al inicio de la conducción y hasta δ .1 la corriente tiene pendiente positiva y por tanto
la tensión en sus bornes vL es positiva. Esta tensión se opone a la tensión de fuente
(vs1 – vs2) y vale vL = L di/dt = -e siendo e la f.e.m. autoinducida.
En δ 1 la corriente alcanza su valor máximo; su derivada es nula y por tanto la tensión
en sus bornes es cero. vL cruza el cero en ese instante.
Entre δ .1. y.θ .2 la pendiente es negativa. Ahora la tensión en sus bornes se ha
invertido, es negativa y tiene la misma expresión anterior, pero se suma con la tensión
de fuente haciendo que la corriente decrezca más lentamente.
En 5π es vs1-vs2 =0 y la tensión u cruza el cero.
6
Entre 5π y θ .2 es vs1-vs2<0 pero la f.e.m. tiene un valor superior a esta
6
diferencia y mantiene la conducción de los dos tiristores.
Desde el inicio de la conducción hasta 5π la tensión u y la corriente i(RL) en la
6
carga son positivas y por tanto la potencia entregada es positiva, mientras que desde
dicho ángulo y hasta θ .2 la corriente sigue siendo positiva pero la tensión es negativa,
resultando en consecuencia la potencia negativa, lo cual significa que la carga devuelve
energía a la fuente de alimentación.
Para ángulos de encendido θ .1 = ó > 120° , con carga RL, la corriente será siempre
discontinua, es decir que θ .2 nunca alcanzará a coincidir con θ * 1 , por más que se
incremente el valor de L. Esto puede deducirse facilmente observando que si se
produjera dicha coincidencia, las dos áreas a cada lado del cruce de las tensiones en
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5π
serían iguales, lo cual indicaría que la energía recibida es totalmente devuelta,
6
cosa que no es posible debido a la potencia activa que consume R.
• Aunque en la práctica no existe una carga inductiva pura, conviene analizar el
comportamiento teórico del rectificador con esta carga, ya que frente a ciertos
cortocircuitos que pueden darse en el lado de continua, el funcionamiento se
aproxima a esta condición.
Fig.24: R.P.T.C. con carga L pura y encendido en 120°. Límite de funcionamiento a
corriente ininterrumpida.
• Para un ángulo de encendido de 120° ó mayor, el funcionamiento resulta totalmente
simétrico ya que toda la energía reactiva que recibe la inductancia es devuelta a la
fuente en cada pulsación, como muestra la fig.24.
• La onda de corriente es una cúspide de senoide y toca el cero en cada conmutación.
• Para ángulos mayores resulta exactamente igual, sólo que la corriente será
discontinua. De hecho el máximo ángulo de encendido sigue siendo 150°.
• La onda de tensión en la carga es la del inductor y tiene valor medio nulo.
( * ) La pregunta ahora es: ¿ Cómo funcionará el rectificador con carga L, si el
encendido se hace con ángulos menores a 120° ?.
En estos casos, la inductancia irá acumulando energía reactiva durante un transitorio de
bastante duración hasta alcanzar un estado estable, con corrientes muy elevadas,
similares a las de cortocircuito. El funcionamiento del rectificador cambia totalmente,
prolongándose el tiempo de conducción , llegando en este rectificador a no extinguirse
ningún tiristor.
En todos los rectificadores, sean a diodos ó tiristores, una carga inductiva pura, altera el
funcionamiento del mismo, y gracias a la reactancia de dispersión del trafo y su
resistencia interna, las corrientes de cortocircuito ó de cargas eventuales inductivas, son
limitadas, pero igualmente a valores inadmisibles por los semiconductores.
La fig. 25 muestra como crece la corriente durante el comienzo del transitorio para una
carga inductiva pura, con un ángulo de encendido de 60°.
( * ): Cátedra Electrónica de Potencia.
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Fig.25: R.P.T. crecimiento de la corriente durante el inicio del periodo transitorio para
una carga L pura y encendido en 60°.
•
Todos los rectificadores controlados pueden invertir su funcionamiento si se dan las
condiciones para operar como inversores, como se mencionó en rectificación
trifásica de media onda.
Si en la carga se dispone de un generador ó una fuente de corriente continua,
conectada para favorecer el sentido de circulación de la corriente, la conducción
puede establecerse a partir de 5π con la tensión compuesta negativa (vs1-vs2< 0),
6
entre los tiristores T1 y T6.
El generador inyecta energía activa a la red de alterna, sin modificar su forma de
onda ni su frecuencia. Sólo puede funcionar como Inversor No Autónomo y por
tanto el encendido de los tiristores se hace en función de dichas ondas y el apagado
tiene lugar en forma natural (Tema que se estudia en la asignatura Electiva III –
Electrónica de Potencia)
Nota: Los estudios correspondientes a:
• Corrientes de Cortocircuitos.
• Caídas de Tensiones por conmutación y en los elementos reales que
integran un equipo rectificador.
• Armónicos.
• Protecciones.
• Circuitos de Control.
• Otros tipos de Rectificadores.
Se tratan en forma específica para su aplicación en Trabajos de Promoción y
en Proyectos Finales que abordan estos temas y no forman parte del
programa de las Asignaturas.
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