4-1 Rectificadores Controlados

Capítulo 4

Los rectificadores controlados reciben este nombre por que utilizan un dispositivo de control, en este caso el tiristor.

Utilizan los mismos montajes que se usan para los no controlados pero sustituyendo los diodos por tiristores parcial o totalmente.

La ventaja de colocar tiristores viene dada por la capacidad de estos de retardar su entrada en conducción, sucediendo esta cuando la tensión en sus bornes sea positiva y además reciba un impulso en su puerta.

El ángulo de retardo es un parámetro fundamental, ya que actuando sobre él es posible hacer variar la relación entre el valor de la tensión rectificada de salida y el valor de las tensiones alternas de la entrada, de ahí el calificativo de “controlados”.

En los rectificadores controlados, por lo tanto, se controla la saturación del tiristor y el bloqueo será natural.

RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA


Tensión media en la carga

max maxdc max

V V1V V sen t d t cos t 1 cos

2 2 2

maxdc

VV

dcn dc

dc

V 1V 1 cos

V 2

Para =0, la tensión media en la carga será Vdc y su valor:

y el valor normalizado valdrá:

3. 2


Tensión eficaz en la carga

Para =0, la tensión media en la carga será Vrms y su valor:

y el valor normalizado valdrá:

2 maxrms max

max max

V1 1 cos2 tV V sen t d t d t

2 22

V V1 1 1 t sen2 t sen 2

2 2 22 2

max maxrms

V VV

22

rmsn rms

rms

V 1 1V sen 2

V 2


Tensión inversa de pico soportada por el tiristor: Esta tensión será la máxima de entrada para /2, por lo tanto:

Corriente media en la carga:

Corriente eficaz en la carga:

maxPIV V

max dcdc max dc

I V1I I sen t d t 1 cos I

2 2 R

2 max rms

rms max rms

I V1 sen2I I sen t d t 1 I

2 2 2 R


Curva 1: Valor medio de la tensión en la carga

(V’dc), referido al valor medio con ángulo de disparo nulo (Vdc).

Curva 2: Valor eficaz de la tensión en la carga

(V’rms), referido al valor eficaz con ángulo de disparo nulo (Vrms).

Curva 3: Factor de rizado (FR’), referido al factor

de rizado con ángulo de disparo nulo (FR).

ac,rms salida

dc

VFR % 100%

V


0

-200

-400

200

400

Tension de Entrada (Vs) Corriente Entrada (10*Is)

0

200

400

Tensión en la Carga (VL) Corriente en la Carga (10*IL)

0

-200

-400

200

400

VT I(T1)*10

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Time (s)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G

t0 t1 t2 t0

RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA CON CARGA RL

El tiristor empieza a conducir para ωt = α, que será el retardo que introduzca el circuito de disparo. Esto provoca la circulación de corriente y un voltaje en la bobina y en la resistencia vL y vR respectivamente:

CL S R R C

div L v v v R i

dt

Para valores entre y t1, vL es positiva.

Cuando t = t1, vL se hace negativa y la corriente empieza a disminuir.

Para t = t2 la corriente se anula y se cumplirá que A1=A2 (el área A1 es la tensión acumulada en la bobina, y el área A2 será la descarga de tensión de la bobina sobre la resistencia y la tensión de entrada con la carga actuando como generador).

Expresión de la corriente instantánea en la carga: A partir del disparo del tiristor se cumple en el circuito la siguiente ecuación:

Para iC(t=) = 0:

La corriente se anulará para un t2 que cumpla:

CC max

diR i L V sen t

dt

t

max QC

Vi sen t sen e

Z

2 2 2 L LZ R L arcsen Q tg

Z R

2t

Q2sen t sen e

0

-100

-200

100

200

Tension de Entrada (Vs) 15*Is

0

-50

-100

-150

-200

50

100

150

Tension Tiristor (VT) I(THY1)*15

0

-100

100

200

Tensión en la Carga (VL) Tensión en la Inductancia (VLi) Tensión en la Resistencia (VR)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Time (s)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G

t0 t1 t3 t0

RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA, CON DIODO VOLANTE, ALIMENTANDO UNA CARGA RL

Cuando el Tiristor esta conduciendo

C

C C

div R i L

dt

Tensión media en la Carga El hecho de colocar un diodo volante tiene dos grandes ventajas: Prevenir de posibles valores negativos de tensión en la carga. Permitir que el tiristor pase al estado de bloqueo una vez

alcanzada la tensión de secundario valor cero; entonces se deja de transferir intensidad a la carga mediante el tiristor.

maxdc max

0

V1V V sen t d t 1 cos

2 2

0

-100

-200

100

200


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G

0

-50

-100

50

100

150

200

Tensión en la Carga (VL) VR VLi

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Time (s)

0

-100

-200

100

VT

0

-100

-200

100

200


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G

0

2

4

6

8

I(T1)

0

2

4

6

8

I(RL)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Time (s)

0

1

2

3

4

I(D)

t0 t1 t2 t0 t0 t1 t2 t0

Rectificador Controlado Monofásico de Media Onda con Carga RLE

m : relación entre la F.E.M. y

Vmax del secundario m=E/Vmax

y ’: ángulos para los que la tensión en el secundario es igual al valor de la F.E.M. (VmaxSen =E; VmaxSen ’=E)

max

Earcsen arcsen m λ

V


Debemos aprovechar el momento en que la tensión alterna en el secundario, menos la tensión E de la batería, tenga un valor positivo para aplicar un impulso a la puerta del tiristor y que este pase a conducir. Esto significa que el disparo se ha de

producir entre y ’ para que Vak>0.

Si el disparo se produce antes de que se cumpla esta condición para , y el impulso fuera de corta duración, el tiristor no conduciría.

max max

max max

E EV sen E 0 V sen E sen arcsen

V V


Si el disparo se produce para un

ángulo de retardo , tal que ’, se cumplirá que: Y de esta ecuación, para iC(t=)=0 obtenemos:

Cmax C

diV sen t E R i L

dt

t

max QC

max

VE E Zi sen t sen e

R Z R V

2 2 2 L LZ R L ; sen arcsen ;

Z Z

LQ tg

R


Si es el ángulo de conducción, la corriente se anulará para un ángulo t=+= t1, y así se cumplirá que:

1t

2 2 2 Q1 1sen t Qcos t m mQ mQ Q 1 m e

PUENTE RECTIFICADOR MONOFÁSICO TOTALMENTE CONTROLADO

Este tipo de rectificador, con carga RL, trabajará en dos cuadrantes del diagrama tensión-corriente, tal y como se muestra a continuación:


Los tiristores T1 y T4 conducirán durante el semiciclo positivo de la entrada, y los T2 y T3 en el negativo. Eso quiere decir que los tiristores se dispararán de dos en dos con un

ángulo de retardo . Tensión media en la carga:

dc max max

max

2 1V V sen t d t V cos cos

2

V 1 cos


Para =0, la tensión media en la carga será Vdc y su valor: y el valor normalizado de la tensión media valdrá: Tensión eficaz en la carga: Intensidad media en la carga:

maxdc

2VV

dcn dc

dc

V 1V 1 cos

V 2

2 max

rms max

V1 1V V sen t d t sen2

2 22

maxdc

II 1 cos


Intensidad eficaz en la carga: Este valor será √2 veces mayor que el obtenido para el rectificador controlado de media onda. Potencia eficaz en la carga:

maxrms

I sen2I 1

22

2 2

rms max

ac

V V 1P sen2

R 2 R 2

0

-200

-400

200

400

Vs 10*Is

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G1 G2

0

-100

100

200

300

400

VL

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Time (s)

0

-200

-400

200

VD1 VD2

0

-200

-400

200

400

Vs 10*Is

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G1 G2

0

-10

-20

10

20

Is

0

5

10

15

20

I(T1) I(T2)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Time (s)

0

10

20

I(RL)

t0 t1 t2 t3 t0 t0 t1 t2 t3 t0

Estudio para una carga altamente inductiva

Si observamos las formas de onda que se muestran a continuación, podemos ver dos modos de funcionamiento:

Intervalo de a : La tensión y la intensidad del secundario serán positivas, y esto significa que la fuente de alimentación suministra potencia a la carga.

Intervalo de a (+) La tensión en el secundario es negativa y la corriente positiva. Esto quiere decir que la potencia fluye desde el lado de continua al lado de alterna. Para que el sistema trabaje en este modo, es necesaria una fuente de energía en el lado de continua (dinamo-motor), para que sea posible dicho flujo de energía.


Los dos modos de funcionamiento del rectificador se pueden apreciar en:


Tensión media en la carga: Corriente media en la carga: Usaremos V’dc/R, o bien:

dc max max

2 2V V sen t d t V cos

2

maxdc

V2I cos

R

0

-200

-400

200

400

Vs 10*Is

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G1 G2

0

-5

-10

5

10

Is

0

2

4

6

8

I(T1) I(T2)

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Time (s)

2

4

6

I(RL)

0

-200

-400

200

400

Vs 10*Is

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G1 G2

0

-200

-400

200

400

VL

0

-200

-400

200

400

VLi VR

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Time (s)

0

-200

-400

200

400

VT1 VT2

t0 t1 t2 t0 t0 t1 t2 t0

Estudio para una carga RLE

Como la corriente de salida durante la conducción de T1 y T4 es similar a la que circulará cuando conduzcan T2 y T3, consideraremos solo el

primer caso, que será válido para t (+).

CC max

diL R i E V sen t

dt

R

tmax L

C 1

V Ei sen t A e

Z R

R

22 1 max L1 C0

VL EZ R L ; tg ; A I sen e

R R Z

R

tLmax max

C C0

V VE Ei sen t I sen e

Z R R Z


Si aplicamos a la ecuación la condición iC(t=+)=IC1=IC0, momento en que dejan de conducir los tiristores T1 y T4:

Si queremos saber el valor de cuando se anula IC0, podemos hacerlo por tanteo siempre que sepamos lo que valen R, L, E y VS. Corriente eficaz en los tiristores: Ayudándonos de la ecuación anterior tenemos:

R

L

maxC0 C1 C0R

L

sen sen eV EI I para I 0

Z R1 e

2

CT rms

1I i d t

2


Corriente eficaz en la carga: De la corriente eficaz en los tiristores para un periodo: Intensidad media en los tiristores: Intensidad media en la carga:

2 2

rms T rms T rms T rmsI I I 2I

CT dc

1I i d t

2

dc T dc T dc T dcI I I 2I

0

-200

-400

200

400

Vs 10*Is E

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G1 G2

0

-200

200

400

VL E

0

-100

-200

-300

100

200

VLi VR

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Time (s)

0

-200

-400

200

VT1 VT2

0

-200

-400

200

400

Vs 10*Is E

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G1 G2

0

-4

4

Is

0

-2

2

4

6

I(RL)

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Time (s)

0

2

4

6

I(T1) I(T2)

t0 t1 t2 t3 t0 t0 t1 t2 t3 t0

Estudio para una carga RL con diodo volante

Tensión media en la carga:

maxdc

VV 1 cos

Estudio para una carga RL con diodo volante Intensidad media en los tiristores: como por cada tiristor circulará

corriente en cada periodo de la tensión de entrada durante un tiempo -, entonces: Intensidad media en el diodo volante: Por el diodo circulará corriente solo

desde t=0 hasta t=, en cada semiciclo de la tensión de entrada:

dcT dcI I

2

dcD dcI I

Estudio para una carga RL con diodo volante

0

-200

-400

200

400

Vs 10*Is

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

G1 G2

0

-200

-400

200

400

VL

0

-200

-400

200

400

VLi VR

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Time (s)

0

-200

-400

200

400

VT1 VT2

0

-200

-400

200

400

Vs 10*Is

0

0.4

0.8

G1 G2

0

-5

-10

5

10

Is

0

2

4

6

8

I(DV)

0

4

8

I(T1) I(T2)

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Time (s)

6

7

8

9

I(RL)

t0 t1 t2 t3 t0 t0 t1 t2 t3 t0

Puente Rectificador Monofásico Semicontrolado O Mixto

Tensión media en la carga:

max maxdc max

V V2V V sen t d t cos cos 1 cos

2

Puente Rectificador Monofásico Semicontrolado O Mixto

Como la tensión máxima de salida se da para =0, donde Vdc = (2Vmax/), el valor normalizado de la tensión en la carga es:

dcn dc

dc

VV 0,5 1 cos

V

Tensión eficaz en la carga:

2 max

rms max

V2 1 sen2V V sen t d t

2 22

0

-200

-400

200

400

Vs 10*Is

0

0.4

0.8

G1 G2

0

200

400

VL

0

-200

200

VLi VR

0

-200

-400

200

400

VT1 VT2

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Time (s)

0

-200

-400

VD1 VD2

0

-200

-400

200

400

Vs 10*Is

0

0.4

0.8

G1 G2

0

-10

10

Is

0

5

10

I(RL)

0

4

8

12

I(T1) I(T2)

0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Time (s)

0

2

4

6

8

I(DV)

t0 t1 t2 t3 t0 t0 t1 t2 t3 t0

4-1 Rectificadores Controlados

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