Convert Id Ores de CA a CD

7/31/2019 Convert Id Ores de CA a CD

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ELECTRNICA DE POTENCIA I Nm: 2.1

TEMA: 2 CONVERTIDORES CA/CC.

NDICE:

2.1 INTRODUCCIN.2.2 CLASIFICACIN DE LOS CONVERTIDORES CA/CC.

2.3 PARMETROS DE RENDIMIENTO.

2.4 RECTIFICADORES: CIRCUITO BSICO.

2.5 RECTIFICADORES NO CONTROLADOS.

2.6 EFECTO DE LA INDUCTANCIA DE LA FUENTE EN LACONMUTACIN DE CORRIENTE.

2.7 RECTIFICADORES CONTROLADOS.2.8 ANLISIS DE LOS CONVERTIDORES CA/CC MEDIANTE LA

FUNCIN EXISTENCIAL

BIBLIOGRAFA:

[1] RASHID, M.H. Electrnica de potencia: Circuitos, dispositivos y aplicaciones.Ed: Pearson Prentice Hall. 2004. ISBN: 970-26-0532-6. Bibl-EUP: A-8781.Captulos 3 y 10 .

[2] UREA UREA, J y Otros. Electrnica de Potencia. Ed: Servicio depublicaciones de la U. de Alcal de Henares. 1999. ISBN: 84-8138-332-5. Bibl-EUP: A-7928, A-7929, A-8702, A-8814. Captulo 5.

[3] HART, D.W. Electrnica de Potencia. Ed: Prentice Hall. 2001. ISBN: 84-205-3179-0. Bibl-EUP: A-7594, A-7704, A-7706. Captulos 3 y 4.

[4] LORENZO, S., RUIZ, J.M., MARTN, A. Simulacin, control digital y diseo deconvertidores electrnicos de potencia. Dto. Tecnologa Electrnica U. de

Valladolid. 1996. Documento Electrnico. Bibl-EUP: E-0091, E-0092, E-0093.Captulo 5.

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2.1 INTRODUCCIN.

Su misin fundamental es proporcionar energa elctrica en forma decorriente continua a partir de una fuente de corriente alterna (normalmente la

red). La corriente continua se obtiene aprovechando determinados trozos de la

corriente alterna de cada una de las fases de entrada:

El resultado es una corriente de una sola polaridad pero variable. Se puedenutilizar distintos filtros para eliminar las componentes variables de la salida yconseguir una corriente continua ms pura.

Utilizando semiconductores controlables (tiristores) se puede ajustar laduracin del trozo de tensin alterna aprovechable y de esa forma conseguir

corriente continua con valor medio variable entre ciertos lmites (inclusonegativos):


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2.2 CLASIFICACIN DE LOS CONVERTIDORES CA/CC

Para la clasificacin de estos dispositivos se utilizan diversos criterios:

I.- EN FUNCIN DEL N DE FASES DE LA FUENTE DE ALTERNA:a) Monofsicos.

b) Trifsicos.

c) Hexafsicos, etc.

II.- EN FUNCIN DE LA POSIBILIDAD DE CONTROL:

a) No controlados o rectificadores.

No se puede controlar la magnitud de la tensin continua, que sersiempre fija. Se construyen con diodos.

b) Controlados.

Se puede regular la magnitud de la tensin CC mediante el controlde la zona de conduccin de los semiconductores de cada fase.

Tradicionalmente se construyen con tiristores de los que se controlael instante de comienzo de conduccin (control por fase). La

extincin se produce de forma natural: cuando pasa la corriente porcero o cuando se dispara el tiristor de otra fase hacia el que sedesva la corriente continua.

c) Semicontrolados

Se construyen de forma mixta con diodos y tiristores y puedencontrolar la magnitud de la tensin continua de salida, aunque demanera menos flexible.

NOTA: Algunos autores denominan Rectificadoresa todos los convertidoresCA/CC, y as hablan de: Rectificadores controlados y no controlados.


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III.- EN FUNCIN DE LA ESTRUCTURA DEL CONVERTIDOR:

a) En matriz de conversin.

Entre cada fase de entrada (alterna) y la salida (continua) existeslo un nico polo de potencia.

b) En puente.

La carga es alimentada por una matriz de conversin en cadaextremo (una de nodo comn y otra de ctodo comn).


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EJEMPLO 1: Rectificador monofsico/bifsico no controlado en matriz deconversin y en puente:

EJEMPLO 2: Convertidor CA/CC trifsico semicontrolado en puente:

EJEMPLO 3: Rectificador hexafsico controlado en matriz de conversin:


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2.3 PARMETROS DE RENDIMIENTO.

Requisitos exigidos a un convertidor CA/CC de calidad:

a) Que produzca a su salida tensin continua con un contenido mnimo dearmnicos.

b) Que no distorsione las corrientes de entrada (debe mantenerlas tansenoidales como sea posible para no afectar a otros dispositivosconectados a la red).

c) Que no desfase tensin y corriente de entrada, es decir, que su factor depotencia sea cercano a la unidad.

El rendimiento de un rectificador se evala en funcin de los siguientesparmetros:

A.- PARMETROS RELATIVOS A LA SALIDA DEL CONVERTIDOR:

1.- Valor medio de la tensin de salida: Vo = Vo CD = Vo (AV).

=T

0 o)AV( dt)t(vT1Vo

2.- Valor medio de la corriente de salida: Io = Io CD = Io (AV).

3.- Potencia de salida en continua: PCD

)AV(O)AV(OCD IVP =

4.- Valor eficaz de la tensin de salida: Vo RMS.

=T

0

2

ORMS dt)t(vT

1

Vo 5.- Valor eficaz de la corriente de salida: Io RMS.


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6.- Factor de forma del rectificador: FF

AVO

RMSO

V

VFF =

7.- Potencia de salida en alterna: PCA

RMSORMSOCA IVP =

8.- Eficiencia (o razn de rectificacin) de un rectificador:

CA

CD

PP

=

9.- Valor eficaz de la componente alterna de la salida: Vo ca

2

AVO

2

RMSOcaO VVV = 10.- Factor de rizado (ripple factor): RF

1FFV

VRF 2

AVO

caO ==

B.- PARMETROS RELATIVOS A LA ENTRADA DEL CONVERTIDOR:

Se supone que la tensin que alimenta al rectificador, Vs (procedente de lared), es puramente sinusoidal.

1.-Factor de Potencia de Desplazamiento: DPF.

= cosDPF

donde es el desfase entre las componentes fundamentales de is(t) y vs(t).


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2.- Factor de Potencia: PF.

cosI

I

IV

cosIV

SP

PFrmsS

rms1S

rmsSrmsS

rms1SrmsSACTIVA ===

donde IS1 se refiere a la componente fundamental de iS(t). Si vS(t) es senoidalpura, slo la componente fundamental de iS(t) produce potencia activa.Si la carga del rectificador es puramente resistiva, se puede calcular PF como:

rmsSrmsS

rmsOrmsOCA

IV

IV

SP

PF ==

3.- Corriente de distorsin en la entrada: idis(t)

== 1n sn1SSdis )t(i)t(i)t(i)t(i

==1n

2rmssn

2rms1s

2rmssrmsdis IIII

4.- Distorsin armnica total de la corriente de entrada: THD

rms1s

rmsdis2

rms1s

rmss

2 rms1s

2rms1s

2rmss

I

I1

I

I

I

IITHD =

=

=

Normalmente se expresa en tanto por ciento:

%100I

ITHD

rms1s

rmsdis=

5.- Factor de cresta: CF

rmss

picos

rmss

mxs

I

I

I

I

CF ==

Un rectificador ideal deber tener:

= 100% Voac = 0 FF = 1

RF = 0 THD = 0 PF = DPF = 1

En general, la determinacin analtica de los parmetros de rendimiento deun rectificador ser muy complicada y en la mayora de los casos senecesitar utilizar una herramienta de simulacin.


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2.4 RECTIFICADORES: CIRCUITO BSICO.

Como introduccin al anlisis de rectificadores se estudiar el rectificador demedia onda con distintas cargas:

A.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CON CARGA RESISTIVA:


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Los parmetros de rendimiento de este rectificador son:

1.-Valor medio de la tensin de salida: Vo (AV).

=

=

M0 M)AV(

V)wt(d)wtsen(V

21

Vo

2.-Valor medio de la corriente de salida: Io (AV).

RV

R

VoIo M)AV()AV(

==

3.-Potencia de salida en continua: PCD

R

VIVP

2

2M

)AV(O)AV(OCD

==

4.- Valor eficaz de la tensin de salida: Vo RMS.

[ ]2

V)wt(d)wtsen(V

21

Vo M0

2MRMS =

=

NOTA: Recordad que: Cte42sen

2dsen2 +=

5.-Valor eficaz de la corriente de salida: Io RMS.

R2V

R

VI M

RMSORMSO ==

6.-Factor de forma del rectificador: FF

2V

VFF

AVO

RMSO ==

7.- Potencia de salida en alterna: PCA

R4

V

IVP

2M

RMSORMSOCA == 8.- Eficiencia (o razn de rectificacin) de un rectificador:

%5'40405'04

PP

2CA

CD =

==

9.-Factor de rizado: RF

%12121'11FFRF 2 ==

10.- Tensin mxima repetitiva de bloqueo del diodo:

MinvD VV =


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11.- Factor de Potencia: PF.

Como:2

VV MRMSS = y RMSORMSS II =

707'022

IV

IV

SP

PF rmsSrmsS

rmsOrmsOCA ====

12.- Factor de cresta de la corriente de entrada: CF

2I

ICF

rmss

mxs ==

13.- Determinacin de los armnicos de la tensin de salida, vo(t):

( ) ( )

=++=

1nnncdO )nwtcos(B)nwtsen(AVtv

== M)AV(Ocd

VVV

( ) ( )

=

=

0M

2

0On )tw(d)twncos(wtsenV

1)tw(d)twncos(wtV

1A

( )

+

==

==

2

nM

n

n

n1

11VA...,6,4,2n

0A...,5,3,1n

( ) ( )

=

=

0M

2

0On )tw(d)twnsen(wtsenV

1)tw(d)twnsen(wtV

1B

==

==

0B...,4,3,2n2

VB1n

n

M1

...wt6cos35V2

wt4cos15V2

wt2cos3V2

wtsen2

VV)t(v MMMMMo

+

=


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14.- Determinacin de los armnicos de la corriente, iS(t) = iO(t):

...wt6cosR35

V2wt4cos

R15V2

wt2cosR3

V2wtsen

R2V

RV

)t(i MMMMMs

+

=

15.- Corriente de distorsin en la entrada: idis(t)

rmss

2M

2M2

rms1s2

rmssrmsdis I707'0R22V

R2V

III =

==

16.- Distorsin armnica total de la corriente de entrada: THD

%10011I

ITHD

2

rms1s

rmss =

=


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B.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CON CARGA RL:

Se analiza previamente la forma de la corriente que circula por una carga RLalimentada por una tensin alterna:

Durante los intervalos [t1, t2] y [t3, t4] la inductancia se descarga (actacomo fuente) y durante [t2, t3] y [t4, t5] se carga.

La corriente no se anula cuando vs(t) se hace cero, sino que la energaalmacenada en la L hace que la corriente siga circulando por la resistenciaen el mismo sentido.

nicamente cuando la energa se termina, la corriente cambia de sentido yla inductancia comienza a cargarse con polaridad contraria.

Los voltio-segundos que almacena la inductancia son los que utiliza paramantener transitoriamente la corriente por la resistencia, hasta que seagotan y la corriente se anula.


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En rgimen estacionario:

dt)t(di

L)t(iR)t(vs +=

)wt(senZ

V)t(i M = donde:

=+=

RLw

tan)Lw(RZ

1

22

IMPORTANTE: En rgimen estacionario, el valor medio de la tensin en la Les siempre nulo.

Se muestra a continuacin un rectificador de media onda con carga RL:

La diferencia con el caso anterior es que la corriente no puede cambiar desentido debido al diodo. La L mantiene la corriente, aun con vs(t) negativo,hasta que haya descargado sus voltio-segundos ().


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La siguiente grfica muestra con detalle las tensiones y corrientes delrectificador media onda con carga LR:

Es importante resaltar cmo la tensin de salida, vo(t), alcanza valoresnegativos debido a la presencia de la inductancia (mientras el diodo estconduciendo, vo(t) = vs(t)).


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La descripcin matemtica del comportamiento del circuito es la siguiente:

Siempre que el diodo est conduciendo:

dt

)t(diL)t(iR)wtsen(V)t(v Ms +==

La solucin de esta ecuacin diferencial tiene 2 componentes:

a) La respuesta forzada o permanente que corresponde a la corriente enrgimen estacionario si el diodo no estuviera presente:

)wt(senZ

V)t(i Mf = donde:

=

+=

RLw

tan

)Lw(RZ

1

22

b) La respuesta natural o transitoria que corresponde a la solucin de laecuacin diferencial homognea:

0)0(icondt

)t(diL)t(iR0 =+=

RL

donde)(senZ

V)t(i e

tM

n ==

De manera que:

+

=

0

)(senZ

V)wt(sen

ZV

)wt(i

e wwt

MM

Para 0 wt

Para wt 2

donde ngulo extra de conduccin del diodo, puede determinarse apartir de la ecuacin transcendente:

0)(sen)sen( e w =+

CONCLUSIN: El estudio analtico de un circuito rectificador es, en la

mayora de los casos, muy complejo. Normalmente se realiza un estudiosobre casos idealizados (carga resistiva pura, corriente de salida constante,etc.) o, alternativamente, se determinan sus parmetros mediante simulacin.


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C.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CON CARGA RL Y DIODO DE LIBRECIRCULACIN:

Se denomina Diodo de libre circulacin a un diodo conectado en extremosde las cargas inductivas para servir de camino alternativo a la descarga de

la energa almacenada cuando estn abiertos los polos principales delconvertidor.

El efecto del diodo es evitar que aparezca tensin negativa en la carga, conlo que aumenta el valor medio de la tensin de salida.

En wt = , la corriente que circulaba por D1 se transfiere a D2 en un proceso

denominado conmutacin de diodos.


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D.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CON CARGA RLE:

El diodo conduce entre y :

corresponde al instante en el que la tensin de alterna alcanza elvalor Vcc.

corresponde al instante en el que la corriente se hace cero.

NOTA IMPORTANTE:

EL RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA NO SE USA EN APLICACIONESINDUSTRIALES POR SUS PSIMAS CARACTERSTICAS Y NICAMENTE

SE INCLUYE AQU POR MOTIVOS DIDCTICOS.


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2.5 RECTIFICADORES NO CONTROLADOS.

2.5.1 RECTIFICADORES MONOFSICOS.

A) EN MATRIZ DE CONVERSIN (BIFSICOS).

A.1) CON CARGA RESISTIVA:

Los diodos D1 y D2 conducen alternativamente. La corriente por la cargasiempre es positiva.

La tensin mxima en un diodo polarizado en inversa es el doble del valorde pico de la tensin de cada secundario.

La corriente por el primario circula en los dos semiciclos y tiene un valormedio nulo.

La frecuencia fundamental de la tensin de salida (primer armnico) es 2w.


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