Rectificador Controlado de Onda Completa

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RECTIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA Un Rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente continua de salida (Vo) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de corriente continua. Existen dos alternativas, bien empleando dos diodos o empleando cuatro (puente de Graetz). RECTIFICADORES CONTROLADOS DE ONDA COMPLETA Un método flexible para controlar la salida de un rectificado de onda completa es sustituir los diodos por conmutadores controlados, como los SCR. La salida se controla ajustado el ángulo de disparo de cada SCR, obteniéndose una tensión de salida ajustable en un rango limitado.

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RECTIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA

Un Rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente continua de salida (Vo) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de corriente continua.

Existen dos alternativas, bien empleando dos diodos o empleando cuatro (puente de Graetz).

RECTIFICADORES CONTROLADOS DE ONDA COMPLETA

Un método flexible para controlar la salida de un rectificado de onda completa es sustituir los diodos por conmutadores controlados, como los SCR. La salida se controla ajustado el ángulo de disparo de cada SCR, obteniéndose una tensión de salida ajustable en un rango limitado.

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(1)

En la figura se muestran do rectificadores controlados de onda completa. En el rectificador en puente, los SCR S1 y S2 se polarizan en directa cuando la señal del generador es positiva, pero no conducirán gasta que se apliquen las señales de puerta. De la misma manera S3 y S4 se polarizan en directa cuando la señal del generado se haga negativa, pero no conducirán hasta que no reciban señales de puerta. En el rectificador transformador con toma central, S1 esta polarizado en directa cuando Vs es positiva y S2 esta polarizado en directa cuando Vs es negativa, peri no conducirán hasta que no reciban una señal de puerta.

El ángulo de disparo α es el intervalo angular entre la polarización directa del SCR y la aplicación de la señal de puerta. Si el ángulo de disparo es cero, los rectificadores se comportan exactamente como rectificadores no controlados con diodos. La siguiente explicación se aplica, con carácter general, tanto a los rectificadores en puente como a los rectificadores con transformador de toma media.

CARGA RESISTIVA

En la figura (1c) se muestra la forma de onda de la tensión de salida de un rectificador controlado de onda completa con una carga resistiva. La componente media de esta forma de onda se determina a partir de:

Por tanto la corriente media de salida es:

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La potencia entregada a la carga es una función de la tensión de entrada, del ángulo de disparo y de los componentes de carga. Se utilizara P=I rms

2xR para calcula la potencia en una carga resistiva, donde:

La corriente eficaz del generador es igual a la corriente eficaz en la carga.

CARGA R-L, CORRIENTE DISCONTINUA

La corriente de carga en un rectificador controlado de onda completa con una carga R-L de la figura (2a) puede ser continua o descontinua, y será necesario un análisis diferente para cada caso iniciando el análisis para y con corriente de carga nula, los SCR S1 y S2 del rectificador en puente estarán polarizados en directa y S3 y S4 se polarizaran en inversa cuando la tensión del generador se haga positiva. S1 y S2 se activaran cuando se les apliquen señales de puerta para

. cuando S1 y S2 están activados, la tensión de carga es igual a la tensión del generador. Para esta condición el circuito es idéntico al rectificador controlado de media onda, ya función de la corriente será:

……(1)

La función de corriente anterior se hace cero en la corriente será nula hasta momento en el cual se aplicara señales de puerta a S3 y S4, quedaran polarizados en directa y comenzaran a conducir. En la figura (2b) se ilustra este modo de operación, denominado corriente discontinua:

………………(2)

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(2)

El análisis del rectificador controlado de onda completa en el modo de corriente discontinua es idéntico al del rectificado controlado de media onda, pero el periodo de la corriente de salida es π radianes en lugar de 2π radianes.

CARGA R-L, CORIENTE CONTINUA:

Si la corriente de carga sigue siendo positiva para cuando se aplican señales de puerta a S3 y S4 en el análisis anterior, S3 y S4 se activaran y se fuerza la desactivación de S1 y S2. Como la condición inicial para la corriente en el segundo semiciclo no es cero, la función de la corriente no será la misma. La ecuación (1) no es valida para la corriente continua e régimen continua. En la figura (2c) se muestra las formas de onda de la corriente y la tensión en régimen continua para una carga R-L con corriente continua.

El limite entre la corriente continua y la discontinua se produce cuando en la ecuación (1). Lac corriente para debe ser

mayo que cero para la operación con corriente continua:

Haciendo:

Resolviendo para α:

Usando la relación:

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Podemos utilizar la ecuación (2) o la (3) para comprobar si la corriente de carga es continua o discontinua.

Un método para determinar la tensión y la corriente de salida en el caso de corriente continua es utilizar la serie de Fourier. La expresión general de la serie de Fourier para la forma de onda de tensión en el cao de corriente continua mostrado en la figura (2c) es la siguiente:

El valor medio en continua es:

La amplitudes de los términos de alterna se calculan a partir de:

Donde:

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(3)

En la figura (3) se muestra la relación entre el contenido armónico normalizado de la tensión de salida y el ángulo de disparo.

La serie de Fourier para la corriente se determina utilizando superposición, como se hice para el rectificador no controlado. La amplitud de la corriente para cada frecuencia se obtiene utilizando la ecuación de valor eficaz. La corriente eficaz se determina combinando la corriente eficaz para cada frecuencia.

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La impedancia de la bobina aumenta al aumentar el orden del armónico. Por tanto podría ser necesario resolver únicamente unos pocos términos de la serie para calcular la corriente eficaz. Si el valor de la inductancia es grande, los términos de alterna serán pequeños y la corriente esencialmente continua.

RECTIFICADORES TRIFASICOS

Los rectificadores trifásicos se utilizan comúnmente en la industria para producir tensión y corriente continua para grandes cargas. En la figura (4a) se muestra el rectificador trifásico en puente. El generador trifásico de tensión está equilibrado y la secuencia de fases es a – b – c. En el análisis inicial del circuito se supondrá que el generador y los diodos son ideales.

He aquí unas observaciones básicas sobre el circuito:

La ley de Kirchhoff para las tensiones aplicada al circuito muestra que solo puede conducir un diodo a la vez en la mitad superior del puente (D1,D3 o D5). El diodo en estado de conducción tendrá si ánodo conectado a la tensión de fase de mayor valor en ese instante.

La ley de Kirchhoff para las tensiones también muestra que solo puede conducir un diodo a la vez en la mitad inferior del puente (D2,D4 o D6). El diodo en estado de conducción tendrá su cátodo conectado a la tensión de fase de menor valor en ese instante.

D1 y D4 no podrán conducir al mismo tiempo como consecuencia de las observaciones primera y segunda. De la misma manera, tampoco podrán conducir simultáneamente D3 y D6, ni D5 y D2.

La tensión de salida en la carga es una de las tensiones de línea a línea del generador. Por ejemplo , cuando D1 y D2 conducen, la tensión de salida es Vca. Además, la tensión línea a línea de mayor valor determinara los diodos que estarán en conducción. Por ejemplo, cuando la mayor tensión ,línea a línea sea Vca, la salida será Vca.

Existen seis combinaciones de tensiones línea a línea (tres fases combinadas de dos en dos). Si consideramos un periodo del generador dos 360°, la transición de la tensión línea a línea de mayor valor deberá producirse cada 360°/6=60°. El circuito se denomina rectificador de seis pulsos debido a las seis transiciones que se producen en cada periodo de la tensión del generado.

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La pulsación fundamenta de la tensión de salida es 6ω, donde ω es la pulsación del generador trifásico.

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(4)

En la figura (4b) se muestra las tensiones de fase y las combinaciones de las tensiones línea a línea resultantes en un generador trifásico equilibrado. La figura (4c) muestra la corriente década diodo del puente para una carga resistiva. Los diodos conducen por pares (6,1),(1,2),(2,3),(3,4),(4,5),(5,6),(6,1), …..,los diodos se activan siguiendo la secuencia 1,2,3,4,5,6,1…..

La corriente en un diodo en conducción es igual a la corriente de carga. Para calcular la corriente en cada fase del generado se aplicara la ley de Kirchhoff para la corrientes en los nodos a,b y c:

Cada diodo conduce una tercera parte del tiempo, por lo que:

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La potencia aparente del generador trifásico es:

La tensión inversa máxima en bornes de un diodo es la tensión línea a línea de pico. En la figura (4b) se muestra la forma de onda de la tensión en el diodo D1. Cuando D1 conduce, la tensión entre sus bornes es nulo. Si D1 esta al corte, la tensión de salida es Vab cuando D3 conduce y Vca cuando D5 conduce.

La tensión periódica de salida esta definida como para π/3 ≤ ωt ≤ 2π/3, con periodo π/3, de cara a determinar los coeficientes de la serie de Fourier. Los coeficientes de los términos seno son nulos por simetría, por lo que podemos expresar la serie de Fourier para la tensión de salida de la siguiente manera:

El valor medio o de continua de la tensión de salida es:

Donde Vm, L-L es la tensión línea a línea de pico del generador trifásico, que es

. Las amplitudes de los términos de tensión alterna son:

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Como la tensión de salida es periódica, con un periodo de 1/6 de la tensión del generador de alterna, los armónicos a la salida son de orden 6kω, siendo k=1,2,3…. Una ventaja del rectificador trifásico con respecto al rectificador monofásico es que la salida es inherentemente, como una tensión continua y los armónicos de alta frecuencia y baja amplitud permiten que los filtros sean eficaces.

En muchas aplicaciones, al conectar una carga que tenga una bobina serie se produce una corriente de carga esencialmente continua. En la figura (5) se muestra la corriente en los diodos y en la líneas de alterna para una corriente de carga continua. La serie de Fourier de las corrientes en la fase a de la línea de alterna es la siguiente:

Que esta formada por los términos del sistema de alterna a la frecuencia fundamental y por los armónicos de orden 6k +/- 1, k=1,2,3,4……

(5)

Como estas corrientes armónicas podrían representa problemas en el sistema de alterna, suele ser necesario utilizar filtros para impedir que entren en dicho

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sistema. En la figura (6) se muestra un esquema típico de filtrado. Se utilizan filtros resonantes que proporcionan un camino a tierra para el quinto y el séptimo armónico, que son los dos de orden más alto. Estos filtros impiden que las corrientes armónicas se propaguen a través del sistema de alterna. Se elegirán filtros que permitan que la impedancia a la frecuencia del sistema sea grande.

(6)

RECTIFICADOERES CONTROLADOS TRIFASICOS

Podemos controlar la salida del rectificado trifásico sustituyendo los SRC por diodos en la figura (7a) se muestra un rectificador trifásico controlado de seis pulsos. Cuando se utiliza SCR, la conducción no se produce hasta que se aplica una señal de puerta estando el SCR polarizad en directa. Por tanto se puede retrasar la transición de la tensión de salida a la tensión instantánea máxima al punto donde comenzaría a conducir el SCR si fuese un diodo. El ángulo de disparo es el intervalo entre el momento en el cual se polariza en directa el SCR y el momento de aplicación de la señal de puerta en la figura (7b) se muestra la salida del rectificador controlado con un ángulo de disparo de 45°.

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(7)

La tensión de salida es:

Esta ecuación muestra que la tensión de media de salida disminuye al aumentar el ángulo de disparo α.

Los armónicos de la tensión de salida siguen siendo de orden 6k, pero las amplitudes sus funciones de α.

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RECTIFICADOR DE DOCE PULSOS

El rectificado en puente trifásico de seis pulsos mejora e gran medida la calidad de la salida continua, en comparación con el rectificador monofásico. Los armónicos de la tensión de salida son pequeños y se producen a frecuencias que son múltiplos de seis veces la frecuencia del generador. Se puede llevar a cabo una reducción mayor de los armónicos de salida utilizando dos puentes de seis pulsos, como se muestra en la figura (8). Esta configuración se denomina convertidor de doce pulsos.

Uno de los puentes esta conectado a un transformado Y-Y y el otro esta conectado a un transformador Y-Δ como se muestra en la figura. El propósito de la conexión del transformado Y-Δ es de introducir un desfase de 30° entre el generador y el puente. Esto produce una separación de 30° entre las entradas de los dos puentes. La tensión total de salida es la suma de las salidas de los dos puentes. Los ángulos de disparo de los puentes suelen ser iguales. La salida de continua es la suma de la salida de continua de cada puente:

La salida del pico del convertido de doce pulsos se produce a medio camino entre los picos alternos de los convertidores de seis pulsos. Al añadir las tensiones en ese punto para α = 0 se obtiene:

En la figura (8b) se muestra las tensiones para α = 0

Dado que se produce una transición entre SCR en conducción cada 30° hay un total de 12 transiciones para cada periodo del generador de alterna. La salida presenta frecuencias armónicas que son múltiplos de 12 veces la frecuencia del generador (12k, k=1,2,3,4,…) el filtrado necesario para generar una salida continua, relativamente pura, es menos costoso que el necesario para el rectificador de seis pulsos.