Convertidores con tiristores

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
iR
+
vS +
Convertidores con tiristores
+
vO
-
iS DS
iT
• Ejemplo:
DT
vO _ med
Si hay p fases:
400
Vg = 325,3 V
(230 V eficaces)
vR  Vg  sen(2    fred  t )
iO
DR
vR
vT
+
Montaje en cátodo común
3

 Vg  sen 

3
v O _ med 

p
Vg  sen 

p
vO
vO_med
200
0
-200
vR
-400
0
10
20
T [ms]
vS
vT
30
40
Rectificador trifásico no controlado de media onda
Montaje en
cátodo común
400
• Corriente por una fase
iR v R
200
0
Con carga resistiva
Convertidores con tiristores
-200
-400
T [ms]
0
10
20
30
40
400
iR
200
Con carga muy
inductiva
vR
0
-200
-400
T [ms]
0
10
20
30
40
Rectificador trifásico no controlado de media onda
iR
Montaje en ánodo común
+
DR1
vR
Convertidores con tiristores
vT
+
vS +
iO
+
vO
-
iS DS1
iT
• Ejemplo:
vR  Vg  sen(2    fred  t )
vO _ med
DT1
3

  Vg  sen 

3
400
Vg = 325,3 V
(230 V eficaces)
200
vR
vS
vT
0
-200
-400
vO_med
vO
0
10
20
T [ms]
30
40
Montaje en ánodo
común
Rectificador trifásico no controlado de media onda
400
• Corriente por una fase
vR
200
0
Con carga resistiva
iR
Convertidores con tiristores
-200
-400
T [ms]
0
10
20
30
40
400
vR
200
Con carga muy
inductiva
0
iR
-200
-400
T [ms]
0
10
20
30
40
Rectificador trifásico
no controlado de onda
completa
iR
+
vR
vO = vP_0 - vN_0
Convertidores con tiristores
vO _ med
DS1
DT1
+
vP_0
-
vT
+
3

 2  Vg  sen 

3
DR1
+
VO
vN_0
-
vS +
DR2
DS2
DT2
+
600
• Ejemplo:
Vg = 325,3 V
(230 V eficaces)
vO_med
vO
400
200
vR
vS
0
vT
-200
-400
0
10
20
T [ms]
30
40
Rectificador trifásico no controlado de onda completa
400
• Corriente por una fase
iR v R
200
0
Con carga resistiva
Convertidores con tiristores
-200
-400
T [ms]
0
10
20
30
40
400
200
Con carga muy
inductiva
iR
vR
0
-200
-400
T [ms]
0
10
20
30
40
Rectificador trifásico controlado de media onda
Montaje en
cátodo común
iR
+
TR
vR
vT
+
vS +
iS TS
Convertidores con tiristores
iT
• Los diodos se sustituyen por SCRs
iO
• El disparo de los SCRs se retrasa
un ángulo “a” respecto al cruce de
las fases
+
vO
-
• El funcionamiento depende de a y
del carácter de la carga
TT
a
400
vO
• Ejemplo:
 Vg = 325,3 V
200
 a = 20º
0
-200
vR
-400
0
10
20
T [ms]
vS
vT
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
vO _ med
vO
vO_med
3 26  a
3


V

cos(


t
)

d
(


t
)

V

sen
   cos(a)
g
red
red
g
2 a


2 6

3
• Si hay p fases:
v O _ med

p
 Vg  sen   cos(a)

p
¡¡OJO!! Esta fórmula no es válida si la tensión
en la carga queda enclavada en cero
Rectificador trifásico controlado de media onda
400
vO
200
0
Montaje en
cátodo común
• Formas de onda de
tensión con carga muy
inductiva y retrasos
moderados
a = 45º
Convertidores con tiristores
-200
vR
-400
0
10
vS
20
vO_med = 0,5848·Vg
vT
30
40 T [ms]
400
vO
200
0
a = 60º
vO_med = 0,4135·Vg
-200
vR
-400
0
10
20
vS
vT
30
40 T [ms]
Rectificador trifásico controlado de media onda
400
vO
Montaje en
cátodo común
a = 20º
• Formas de onda de corriente
con carga muy inductiva y
retrasos moderados
200
0
iR
iS
Convertidores con tiristores
iT
0
400
10
20
T [ms]
vR
30
40
a = 20º
400
200
200
0
0
a = 60º
vR
iR
iR
0
0
0
10
20
T [ms]
30
40
0
10
20
T [ms]
30
40
Rectificador trifásico controlado de media onda
400
vO
Montaje en
cátodo común
• Formas de onda de
tensión y corriente con
carga muy inductiva y
200
a = 90º
0
Convertidores con tiristores
-200
vR
-400
0
400
10
vS
20
vO_med = 0
vT
40 T [ms]
30
a = 90º
vR
200
• El valor medio de la tensión
es cero
0
• No hay potencia activa en la
corriente de fase
• ¿Qué pasa si a > 90º ?
iR
• ¿Es posible esto?
0
0
10
20
30
40 T [ms]
Rectificador trifásico controlado de media onda
400
a = 120º
• Formas de onda de
tensión y corriente con
carga muy inductiva y
200
vO
a > 90º
0
vO_med
Convertidores con tiristores
-200
vR
-400
400
Montaje en
cátodo común
0
10
vS
20
vT T [ms]
30
40
• La tensión ha cambiado de
signo y la corriente no. ¡¡Hace
falta que la carga sea activa!!
+
+
a = 120º
vR
vO_med = -0,4135·Vg
200
0
vO
iR
-
0
T [ms]
0
10
20
30
40
vO
+
-
Pasiva
+
vO_med
Activa
-
vO_med
Montaje en
cátodo común
Rectificador trifásico controlado de media onda
+
Convertidores con tiristores
vT
+
T
vR iR R
vS +
230 V
(eficaces)
i S TS
iT
iO
vR
vT
+
230 V
(eficaces)
vO
vO_med
vO
TT
iR TR
vS +
iT
TT
Potencia
0
+
-
iO
-
vO
vO_med
La batería se está cargando:
134,5 V El circuito opera como rectificador
a = 120º
vO
0
+
iS TS
Carga muy inductiva
+
Potencia
+
a = 60º
vO_med
+
-
134,5 V
vO_med
Inversor no autónomo
La batería se está descargando:
El circuito opera como inversor
Montaje en
cátodo común
Rectificador trifásico controlado de media onda
+
vT
+
T
vR iR R
vS +
iS
+
TS
vO
-
iT
Convertidores con tiristores
Carga resistiva pura
iO
TT
• 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
400
• Ejemplo:
 Vg = 325,3 V
 a = 45º
vO
200
0
-200
vR
-400
0
10
20
vS
vT
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
vO
Convertidores con tiristores
vO_med
v O _ med

3 
3




Vg  sen(red  t )  d(red  t ) 
Vg   1  sen  a  



a
2 6
2
3


Rectificador trifásico controlado de media onda
400
vO
200
vO_med
Montaje en
cátodo común
• Formas de onda de
tensión con carga
resistiva pura
00
a = 45º
vO_med = 0,601·Vg
Convertidores con tiristores
-200
vR
-400
0
10
vS
20
vT
30
40 T [ms]
400
a = 120º
200
vO_med = 0,064·Vg
vO
vO_med
0
-200
vR
-400
0
10
20
vS
vT
30
40 T [ms]
Rectificador trifásico controlado de media onda
400
vO
Montaje en
cátodo común
a = 45º
• Formas de onda de corriente
con carga resistiva pura
200
0
iR
iS
Convertidores con tiristores
iT
0
10
400
20
T [ms]
vR
30
40
a = 45º
400
200
200
0
0
iR
a = 120º
vR
iR
0
0
0
10
20
T [ms]
30
40
0
10
20
T [ms]
30
40
Rectificador trifásico controlado
de onda completa
iR
vO = vP_0 - vN_0
vR
Para a  60º con cualquier tipo
de carga o para cualquier a
con carga muy inductiva:
Convertidores con tiristores
vO _ med
+
TS1
TT1
+
vP_0
-
vT
+
3

 2  Vg  sen ·cos(a)

3
TR1
+
VO
vN_0
-
vS +
+
a
TR2
TS2
TT2
600
vO_med
400
vO
• Ejemplo:
 Vg = 325,3 V
 a = 20º
vO_med = 1,554·Vg
200
vS
vR
0
vT
-200
-400
0
10
a
20
30
40 T [ms]
Rectificador trifásico controlado de onda completa
600
vO
400
• Formas de onda de
tensión para cualquier
a con carga muy
inductiva
200
a = 60º
0
Convertidores con tiristores
-200
vR
vS
vO_med = 0,827·Vg
vT
600
vO
400
200
a = 75º
vO_med = 0,428·Vg
0
-200
vR
0
10
vS
20
vT
Rectificador
30
40 T [ms]
Rectificador trifásico controlado de onda completa
600
400
vS
vR
vT
vO
• Formas de onda de
tensión para cualquier
a con carga muy
inductiva
200
a = 90º
0
vO_med = 0
Convertidores con tiristores
-200
Frontera
rectificador-inversor
400
vR
vS
vT
200
0
a = 120º
-200
vO_med = -0,827·Vg
-400
vO
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
400
vR
200
200
Rectificador
Rectificador
0
0
iR
Convertidores con tiristores
a = 60º
vR
a = 20º
iR
0
0
400
400
vR
a = 90º
Frontera
200
a = 120º
vR
200
Inversor
0
0
iR
iR
0
0
0
10
20
T [ms]
30
40
0
10
20
T [ms]
30
40
Rectificador trifásico controlado de onda completa
600
vO
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)
vR
vS
vO_med = 0,827·Vg
vT
600
a = 90º
400
vO
200
vO _ med 

3 3


Vg   1  sen  a  

6


0
-200
vR
0
10
vS
20
vO_med = 0,222·Vg
vT
30
40 T [ms]
Rectificador trifásico controlado de onda completa
• Formas de onda de corriente con carga resistiva pura
400
400
vR
200
200
0
0
a = 20º
vR
a = 0º
iR
iR
Convertidores con tiristores
iR
iR
(carga muy
inductiva)
0
400
(carga muy
inductiva)
0
400
vR
200
a = 90º
vR
a = 60º
200
iR
0
(carga muy
inductiva)
iR
iR
0
(carga muy
inductiva)
iR
0
0
0
10
20
T [ms]
30
40
0
10
20
T [ms]
30
40
Rectificador trifásico semicontrolado
iR
• Está compuesto por
3 SCRs y 3 diodos
vR
vO = vP_0 - vN_0
Convertidores con tiristores
Para a  60º con cualquier
tipo de carga:
3

vO _ med  Vg  sen ·1  cos(a)

3
TR
+
TT
+
vP_0
-
vT
+
TS
+
VO
vN_0
-
vS +
+
a
DR
DS
DT
600
vO_med
vO
400
• Ejemplo:
 Vg = 325,3 V
 a = 20º
vO_med = 1,604·Vg
200
vR
0
vS
vT
-200
-400
0
10
20
30
40 T [ms]
Rectificador trifásico semicontrolado
600
vO
400
a = 45º
200
vO_med = 1,412·Vg
0
-200
Convertidores con tiristores
• Formas de onda de
tensión para carga
inductiva o resistiva
vR
vS
vT
600
vO
400
a = 90º
vO_med = 0,827·Vg
200
0
-200
vR
0
10
vS
20
Nunca hay tensión
negativa en la carga
(los diodos lo impiden)
vT
30
40 T [ms]
Rectificadores trifásicos modernos (sin tiristores)
SR1
L
vR
Convertidores con tiristores
vT
+
SS1
ST1
+
C +
-
L
-
vS +
L
+
VO
SR2
SS2
ST2
• 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”
SR1
L
vR
SS1
Convertidores con tiristores
S’S1
S’R1
L’
v’R
+
C +
-
vT
+
S’T1
ST1
vS
L
v’T
L’
v’S
+
L
SR2
SS2
ST2
S’T2
S’S2
S’R2
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 -
VL
RV
+
Tr1
Convertidores con tiristores
vR
a = 30º
C1
Di1
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 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