CAPÍTULO 4

RECTIFICADORES CONTROLADOS

 

         GENERALIDADES

            Para obtener voltajes de salida controlados, se utilizan tiristores de control de fase en vez de diodos. Es posible modificar el voltaje de salida de los rectificadores a tiristores controlando el retraso o ángulo de disparo de los mismos. 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; en el caso de una carga altamente inductiva, se desactiva mediante el disparo de otro tiristor del rectificador durante el medio ciclo negativo del voltaje de entrada. Los rectificadores controlados por fase tienen una eficiencia superior al 95%. Los rectificadores controlados convierten ca en cd, por lo que se conocen también como convertidores ca en cd.  Se utilizan en propulsores de velocidad variable.

            Los convertidores de control de fase se clasifican en dos tipos dependiendo de la fuente de alimentación:

1.         Convertidores monofásicos

                        semiconvertidor

                        convertidor completo

                        convertidor dual

2.         Convertidores trifásicos

                        semiconvertidor

                        convertidor completo

                        convertidor dual

 

Semiconvertidor: Es un convertidor de un cuadrante, y tiene una misma polaridad de voltaje y de corriente de salida.

 

Convertidor completo:  Es un convertidor de dos cuadrantes, la polaridad de su voltaje de salida puede ser positiva o negativa.  Sin embargo, la corriente de salida del convertidor completo sólo tiene una polaridad.

 

Convertidor dual: Puede operar en cuatro cuadrantes, y tanto su voltaje como su corriente de salida pueden ser positivos o negativos.

 

            Para analizar el rendimiento de los convertidores controlados por fase se aplica el método de Fourier.

 

4.1       PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL CONVERTIDOR CONTROLADO POR FASE.

            Durante el medio ciclo positivo del voltaje de entrada, el ánodo del tiristor de la figura 4.1 es positivo con respecto al cátodo, por lo que se dice que el tiristor tiene polarización directa.  Cuando el tiristor T1 se dispara en t=el tiristor T1 conduce, apareciendo a través de la carga el voltaje de entrada.  Cuando el voltaje de entrada empieza a hacerse negativo, t=, el ánodo del tiristor es negativo con respecto al cátodo y se dice que el tiristor T1 tiene polarización inversa, por lo que se desactiva.

            El tiempo desde que el voltaje de entrada empieza a hacerse positivo hasta que se dispara el tiristor en t=, se llama ángulo de retraso o de disparo 

Figura 4.1.  Convertidor controlado por fase.

 

            El convertidor de la figura 4.1 tiene las formas de onda del voltaje de salida de una sola polaridad, como se observa en la figura 4.1 (b).

            Por lo general este convertidor no se utiliza en aplicaciones industriales, porque su salida tiene un alto contenido de componentes ondulatorias, de baja frecuencia.

 

 

4.1.1.   Semiconvertidores monofásicos

La disposición del circuito de un semiconvertidor monofásico aparece en la figura 4.2.

Operación:

            Durante el medio ciclo positivo, el tiristor T1 tiene polarización directa.  Cuando el tiristor T1 se dispara en t=, la carga se conecta a la alimentación de entrada a través de T1 y D2 durante el período .

            Durante el período , el voltaje de entrada es negativo y el diodo de marcha libre Dm tiene una polarización directa.  Dm conduce para proporcionar la continuidad de corriente de la carga inductiva.

            La corriente de carga se transfiere de T1 y D2 a Dm, y el tiristor T1 así como el diodo D2 se desactivan.

            Para el semiciclo negativo el tiristor T2 y el diodo D1, realizan la operación anterior.

           

 

4.1.2.   Convertidor monofásico completo

            El arreglo de circuito de un convertidor monofásico completo aparece en la figura 4.3 con una carga altamente inductiva, de tal forma que la corriente de carga es continua y libre de componentes ondulatorias.


 

Figura 4.2.  Semiconvertidor monofásico.

 

Figura 4.3.  Convertidor monofásico completo.

 

            Durante el medio ciclo positivo, los tiristores T1 y T2 tienen polarización directa cuando en t= estos dos tiristores se disparan simultáneamente, la carga se conecta a la alimentación de entrada a través de T1 y T2.   Debido a la carga inductiva, los T1 y T2 seguirán conduciendo más allá de t=, aun cuando el voltaje de entrada sea negativo, los tiristores T3 y T4 tienen una polarización directa; el disparo de los tiristores T3 y T4 aplicará el voltaje de alimentación a través de los tiristores T1 y Tcomo un voltaje de bloqueo inverso.  Debido a la conmutación natural o de línea, T1 y T2 se desactivarán y la corriente de carga será transferida de T1 y T2 a T3 y T4 .  En la figura 4.3 se muestran las regiones de operación del convertidor  y en la figura 4.4 aparecen las formas de onda para el voltaje de entrada, el voltaje de salida y las corrientes de entrada y salida.

 

            Durante el período que va desde hasta , el voltaje de entrada vs y la corriente de entrada is son positivos; la potencia fluye de la alimentación a la carga.  Se dice que el convertidor se opera en modo de rectificación.  Durante el período dehasta, el voltaje de entrada vs es negativo y la corriente de entrada is es positiva; existiendo un flujo inverso de potencia, de la carga hacia la alimentación.  Se dice que el convertidor opera en modo de inversión.  Este convertidor es de uso extenso en aplicaciones industriales hasta de 15 kW.  Dependiendo del valor de , el voltaje medio de salida puede resultar positivo o negativo y permite la operación en dos cuadrantes.

 

4.1.3    Convertidores monofásicos duales

            Los convertidores monofásicos completos con cargas inductivas sólo permiten la operación en dos cuadrantes.  Si se conectan dos de estos convertidores completos espalda con espalda, tal y como aparece en la figura 4.5, se pueden invertir tanto el voltaje de salida como la corriente de carga. El sistema permitirá una operación en cuatro cuadrantes, llamándosele convertidor dual.  Los convertidores duales son de uso común en propulsores de velocidad variable de alta potencia.

 

Figura 4.4.  Formas de onda para convertidor monofásico completo de la fig. 4.3.

 

 

Figura 4.5.  Circuito de un convertidor monofásico dual.

 

            Dado que un convertidor que un convertidor rectifica y el otro invierte,

            vcd1=vcd2                                 o bien,                        con 2=cos1=cos(1)          (1)

Y,  por tanto,

                                                                       2=                                                   (2)

            Dado que los voltajes instantáneos de salida de los dos convertidores están fuera de fase, existirá una diferencia instantánea de voltaje que dará como resultado una corriente circulante entre ambos convertidores.  Esta corriente circulante no fluirá a través de la carga y por lo general estará limitada por un reactor de corriente circulante Lr, tal y como aparece en la figura 4.6.

 

            Si vo1 y vo2 son los voltajes de salida instantáneos de los convertidores 1 y 2, respectivamente, la corriente circulante puede determinarse integrando la diferencia de voltaje instantáneo a partir de t = 2  1.  Dado que los voltajes promedio de salida son iguales y opuestos durante el intervalo t =  hasta , su contribución a la corriente circulante instantánea ir es cero.  Las formas de onda de este tipo de convertidor se observan en la figura 4.6.

 

Figura 4.6.  Formas de onda.

 

            Los convertidores duales pueden operarse con o sin corriente circulante.  En caso de operación sin corriente circulante, sólo opera un convertidor a la vez llevando la corriente de carga; estando el otro convertidor totalmente bloqueado debido a pulsos de compuerta.  Sin embargo, la operación con corriente circulante tiene las siguientes ventajas:

1.    La corriente circulante mantiene conducción continua en ambos convertidores sobre todo el rango de control, independiente de la carga.

2.    Dado que un convertidor siempre opera como rectificador y el otro como un inversor, el flujo de potencia es posible en cualquier dirección y en cualquier momento.

3.    Dado que ambos convertidores están en conducción continua, es más rápido el tiempo de respuesta para pasar de una operación de un cuadrante a otra.

 

4.2   Convertidores trifásicos de media onda

            Los convertidores trifásicos suministran un voltaje de salida más alto, además la frecuencia de las componentes ondulatorias del voltaje de salida es mayor en comparación con los convertidores monofásicos.  Como consecuencia, los requisitos de filtrado para suavizar la corriente y el voltaje de carga son más sencillos.  Por estas razones, los convertidores trifásicos son de amplia utilización en propulsores de velocidad variable de alta potencia.  Se pueden conectar tres convertidores monofásicos de media onda , lo que lo hace similar a un convertidor trifásico de media onda como se muestra en la figura 4.7.

Figura 4.7  Convertidor trifásico de media onda.

 

            cuando el tiristor T1 se dispara en t=/6 + , el voltaje de fase van aparece a través de la carga, en tanto no sea disparado el tiristor T2 en t=.  Cuando el tiristor T2 es disparado, el tiristor T1 queda con polarización inversa, dado que el voltaje de línea a línea, vab(=van-vbn), es negativo y entonces T1 se desactiva.  el voltaje de fase vbn, aparece a través de la carga hasta que el tiristor T3 se dispara en t= Al dispararse T3, T2 se desactiva y vcn aparece a través de la carga hasta que T1 se vuelve a disparar al iniciar el siguiente ciclo.

 

4.3   Semiconvertidores trifásicos

            Los convertidores trifásicos se utilizan en aplicaciones industriales hasta el nivel de 120 kW, en los que se requiere de una operación de un cuadrante. Conforme aumenta el ángulo de retraso se reduce el factor de potencia de este convertidor, aunque es mejor que el de los convertidores trifásicos de media onda. En la figura 4.8(a) se muestra un semiconvertidor trifásico con una carga altamente inductiva, la corriente de carga tiene un contenido de componentes ondulatorias despreciable.

Figura 4.8.  Circuito de un semiconvertidor trifásico.

            La figura 4.9 muestra las forma de onda de los voltajes de entrada, del voltaje de salida, de la corriente de entrada y de la corriente a través de los tiristores y diodos. La frecuencia del voltaje de salida es 3fs. El ángulo de retraso, , se puede variar desde  hasta . Durante el período /6  t < 7/6, el tiristor T1 tiene polarización directa o positiva. Si T1 se dispara en t= (/6+), T1 y D1 conducen el voltaje de línea a línea vca aparecerá a través de la carga. En t= /6, vca empieza a ser negativo y el diodo en marcha libre Dm conduce. La corriente de carga continuará fluyendo a través de Dm, y T1 y D1 se desactivarán.

            Si no existe un diodo en marcha libre, T1 continúa conduciendo hasta que el tiristor T2 se dispara en t= 5/6 + y la acción de marcha libre Dm no conduce.

Figura 4.9. Formas de onda del semiconvertidor trifásico.

 

 

4.4       Convertidores trifásicos completos

            Los convertidores trifásicos se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales hasta el nivel de 220 kW, en las que se requieren de una operación en dos cuadrantes. En la Figura 4.10 se muestra un circuito de convertidor completo, con una carga inductiva alta. Este circuito se conoce como puente trifásico. Los tiristores se disparan en intervalos de /3. La frecuencia del voltaje de la componente ondulatoria de salida es 6fs siendo la necesidad de filtraje menor que la de los convertidores trifásicos semi y de media onda. En t= /6+, el tiristor T6 ya conduce y el tiristor T1 se activa. Durante el intervalo (/6+  t  (/2+) conducen los tiristores T1 y T6 y a través de la carga aparece el voltaje línea a línea vab(=van-vbn). En t= /2+, el tiristor T2 se dispara y el tiristor  T6 de inmediato invierte su polaridad. T6 se desactiva debido a la conmutación natural. Durante el intervalo (/2+  t  (5/6+), los tiristores T1 y T2 conducen y el voltaje de línea a línea, Vca, aparece a través de la carga. Si los tiristores se numeran tal y como se muestra en la figura 4.10, la secuencia de disparo es 12, 23, 34, 45, 56 y 61.

Figura 4.10.  Convertidor trifásico completo.

 

 

 

4.5       Convertidores trifásicos duales

                        En muchos propulsores de velocidad variable se requiere normalmente de una operación en los cuatro cuadrantes, y en aplicaciones hasta el nivel de los 200 kW se utilizan en forma extensa convertidores trifásicos duales.  En la figura 4.11 se muestran convertidores trifásicos duales en los que dos convertidores trifásicos están conectados espalda con espalda.

Figura 4.11.  Convertidor trifásico dual.

 

            Los dos convertidores están controlados de tal forma que si 1 es el ángulo de retraso del convertidor 1, el ángulo de retraso del convertidor 2 es 2=.

 

 

 

4.6  Mejoras al factor de potencia

            El factor de potencia de los convertidores controlados por fase depende del ángulo de retraso a, y es por lo general bajo, especialmente en rangos bajos del voltaje de salida.  Estos convertidores generan armónicas en la alimentación.  Las conmutaciones forzadas pueden mejorar el factor de potencia de entrada y reducir los niveles de armónicas.  Estas  técnicas de conmutación forzada son cada vez más atractivas para la conversión de ca a cd.  Las técnicas básicas de conmutación forzada para convertidores de ca a cd se pueden clasificar como sigue:

 

1.    Control del ángulo de extinción

2.    Control del ángulo simétrico

3.    Modulación del ancho de pulso

4.    Modulación senoidal del ancho de pulso

 

1.         Control del ángulo de extinción.

            Este control se realiza con la ayuda de tiristores de desactivación por compuerta GTO.  Las características de los GTO son tales que un GTO se puede activar mediante la aplicación de un corto pulso positivo a su compuerta, y se puede desactivar mediante un corto pulso negativo a su compuerta.

            El rendimiento de los convertidores semi y completos con control de ángulo de extinción es similar a los de control de ángulo de fase, excepto que el factor de potencia es adelantado.

 

2.         Control de ángulo simétrico.

            Permite la operación en un cuadrante.  La componente fundamental de la corriente de entrada está en fase con el voltaje de entrada, y el factor de desplazamiento (HF) es la unidad.  De tal forma, el factor de potencia queda mejorado.

 

3.         Control por modulación del ancho de pulso.

            Si se controla el voltaje de salida de los convertidores monofásicos semi o completos, mediante la variación del ángulo de retraso, el ángulo de extinción o el ángulo simétrico, sólo habrá un pulso por cada medio ciclo en la corriente de entrada del convertidor, como resultado la armónica de menor orden será la tercera.

            En el control por modulación de pulso (PWM), los conmutadores del convertidor se cierran y se abren varias veces durante medio ciclo, el voltaje de salida se controla variando el ancho de los pulsos.  Se pueden eliminar o reducir armónicas de orden menor, si se selecciona el número de pulsos por medio ciclo.

            Sin embargo, al aumentar el número de pulsos aumentará también el número de armónicas de orden más alto, que se podrán filtrar con facilidad.

 

4.         Modulación senoidal del ancho de pulso.

            Para controlar el voltaje de salida se puede variar el ancho de los pulsos.  Si cada medio ciclo existen p pulsos de igual ancho, el ancho máximo de un pulso es /p.

            Sin embargo, el ancho de los pulsos puede ser diferente.  Es posible seleccionar el ancho de los pulsos, de forma que ciertas armónicas sean eliminadas.  En el control senoidal PWM se generan los anchos de pulso comparando un voltaje de referencia triangular vr, con amplitud Ar y de frecuencia fr, con un voltaje semisenoidal portador vc, de amplitud variable Ac y de frecuencia 2fs.

            En un control con modulación senoidal del ancho de pulso, el factor de desplazamiento es la unidad y el factor de potencia se mejora.  Las armónicas de orden menor se eliminan o reducen.