CIRCUITOS RECTIFICADORES POLIFASICOS Existen varias ventajas en el empleo de sistemas rectificadores polifásicos para la conversión de potencias elevadas:
Mayor tensión de salida para la misma tensión de entrada
Frecuencia fundamental de ondulación más elevada y menor tensión de ondulación con lo cual se reduce o elimina la necesidad de filtro
Mayor rendimiento de conversión.
En los circuitos trifásicos los devanados primarios del transformador suelen conectarse en triángulo (salvo en el caso del circuito trifásico en doble estrella sin bobina de compensación, que se describe más adelante), con objeto de suprimir los armónicos. En los circuitos que se describirán, el secundario está siempre conectado en estrella, aunque en el circuito trifásico de onda completa pueda emplearse la conexión en triángulo. Con la potencia que generalmente se exige a un circuito rectificador trifásico, las pérdidas introducidas por un filtro serían serían demasiado elevadas. Cuando se reduzca el consumo necesario, se podrá utilizar un filtro con entrada inductiva; sin embargo, con corrientes elevadas el valor del condensador en paralelo con la carga seria enorme y debería conducir una gran corriente de ondulación. A continuación se estudiarán los circuitos rectificadores trifásico de media me dia onda, trifásico de onda completa, hexafásico de media onda y trifásico en doble.estrella.
Rectilicado r tr ifásico de m edia on da El circuito trifásico de media onda (trifásico en estrella) se muestra en la figura 1. El devanado secundario está conectado en estrella y el punto central se usa como terminal común de la carga. Su funcionamiento se comprende mejor analizando las formas de onda teóricas que muestra la figura 2. Supongamos que la tensión de la fase R. es la más positiva. En este caso el diodo D 1 conducirá si .t = /6, y la corriente circulará por la carga y retornará al transformador a través del punto neutro. s
El diodo D 1 seguirá conduciendo hasta que la tensión de la fase Y sea más positiva que la de la fase R, para .t = /6 . Entonces la corriente se transferirá del diodo D1 al diodo D 2. Este conducirá durante los 120º' siguientes, y luego la corriente se transferirá al diodo D3, el cual a su vez conducirá durante otros 120º. De ese modo cada diodo conduce sucesivamente durante 120º s
La frecuencia de ondulación es tres veces mayor que la de la red.
En un rectificador de media onda, la corriente media del diodo por fase es: I FAV = I o / n
(1.1)
en donde l o es la corriente continua de salida y n el número de fases. La corriente eficaz que circula por el diodo vale:
(1-2) en donde Iorms indica la corriente eficaz de salida. En el circuito trifásico de media onda el ángulo de conducción de los diodos vale 120º. IFAV = Io / 3 ;
IF rms = (1 / 3) Io rms
El rendimiento de conversión de este circuito es elevado si lo comparamos con el de los circuitos monofásico, mientras que la tensión d e ondulación se reduce a algo más de un tercio de la obtenida con circuitos monofásicos de onda completa. No obstante, el factor de utilización del transformador es bajo en comparación con el de un circuito trifásico de onda completa; el circuito que nos ocupa se utiliza únicamente cuando se debe realizar la conversión de bajas tensiones.
Rectilicado r trifásico de o nd a com pleta En la figura 3 se muestra el circuito trifásico de onda completa. Es uno de los más utilizados para la conversión de potencias elevadas mediante diodos semiconductores. En el circuito trifásico de onda completa, el devanado secundario del transformador puede conectarse en estrella (fig. 3), o en triángulo, puesto que ambos montajes son idénticos en lo esencial. Los siguientes datos son comunes siempre que las tensiones de los secundarios sean idénticas: la tensión entre las fases del transformador conectado en triángulo debe ser 3 veces la del secundario conectado en estrella. Las fórmulas para las corrientes media y eficaz de cada diodo son idénticas a las del circuito trifásico de media onda, es decir: IFAV = Io / 3 ;
IF rms = (1 / 3) Io rms
Consideremos ahora el circuito junto con las formas de onda que muestra la figura 4. Si la fase R es la más positiva, el diodo D 1 empezará a conducir cuando .t = /6 s
La corriente circula a través de D1 hacia la carga y retorna al transformador a través del diodo D 5 o D6, según que la fase más negativa sea la Y o la B, respectivamente. Cuando .t = /6, la fase Y es la más negativa y la corriente retornará a través del diodo D5. Cuando .t = /6, la fase B será la más negativa y la corriente de retorno circulará por D6. s
s
Con .t = 5 /6 la fase Y se hace más positiva y la corriente se transfiere del diodo D1 al D2. Cada diodo conduce durante 120º por ciclo y la corriente se conmuta cada 60º. s
La tensión de ondulación es pequeña y su frecuencia es seis veces la frecuencia de la red. Este circuito presenta el mayor factor de utilización del transformador y, por tanto, requiere menor potencia de c.a. para obtener unos valores determinados de corriente y tensión continuas. Este circuito se emplea para la carga de baterías de alta tensión, fuentes de alimentación industriales, aparatos electrolíticos (salvo los que funcionan con tensiones muy bajas) y, en general, siempre que se necesite una conversión de gran potencia con rendimiento elevado.
Rectif icad or h exafásic o de m edia o n d a En la figura 5 se muestra el circuito rectificador hexafásico de media onda, también conocido como circuito hexafásico en estrella. Si se conecta el punto central de la estrella al terminal común, se obtiene una alimentación hexafásica. Las formas de onda de este circuito se muestran en la figura 6. Cada diodo conduce durante 60º y la frecuencia de ondulación es seis veces la frecuencia de la red. IFAV = Io / 6 ;
I F rms = (1 / 6) Io rms
Este sistema tiene mayor rendimiento de conversión que el circuito trifásico de media onda. No obstante, es el que tiene el menor factor de utilización del secundario del transformador de entre todos los circuitos rectificadores trifásicos. El rendimiento de conversión es elevado e igual al del circuito trifásico de onda completa.
La principal ventaja de este circuito consiste en que todos los diodos se hallan conectados a un terminal común y, por tanto, pueden montarse en un mismo radiador. Por lo general se utiliza solamente para conversión de potencias reducidas, debido al bajo factor de utilización del secundario del transformador.
Rectificado r t rifásico en d ob le estrella El transformador para rectificador que se alimente de la red puede tener dos secundarios trifásicos independientes, unidos entre sí mediante una bobina de compensación. De esta manera se obtienen dos sistemas rectificadores trifásicos completos conectados en paralelo y mutuamente desfasados.. La bobina de compensación evita que un diodo conductor en un secundario bloquee a otro diodo en el otro secundario. La bobina de compensación actúa como divisor inductivo equilibrando las diferencias en los valores instantáneos de las tensiones de salida. Este método puede aplicarse tanto en circuitos rectificadores de media onda como en los de onda completa. La figura 7 representa el circuito trifásico de media onda en doble estrella. Un conjunto de tensiones trifásicas está desfasado 60º respecto del otro, para suministrar una salida hexafásica. No obstante, el ángulo de conducción de los diodos se aproxima a 120º, debido a la presencia de la bobina de compensación. Las corrientes media y eficaz que circulan por cada diodo son, respectivamente: IFAV = Io / 6
;
IF rms = (½3) Io rms
IFAV = Io / 6
;
IF rms = (½3) Io rms
En la figura 7 se representa el circuito trifásico en doble estrella con bobina de compensación. Tiene dos secundarios conectados en estrella. Las tensiones en los centros de las estrellas están desfasadas entre sí 180º. Dichos puntos se hallan unidos por una bobina de compensación con derivación central. En cualquier instante, la corriente circula por dos fases, una de cada estrella, según muestra la figura 8. La corriente de retorno se divide entre los dos secundarios con ayuda de la bobina de compensación. Por tanto, el valor instantáneo de la tensión de salida es el promedio de los valores instantáneos de las tensiones de los secundarios que en aquel momento están conduciendo. Una variación de c.c. produce una fem del tercer armónico en un ánodo y se resta de la del otro, con lo que ambos se mantienen a una tensión común. Para valores bajos de la c.c. se alcanza un punto de transición cuando la corriente es demasiado pequeña para producir la fem del tercer armónico y el circuito pasa a funcionar en forma de hexafásico de media onda, con lo que se produce un repentino aumento de la tensión de salida. Este circuito presenta una ondulación hexafásica, pero una relación de tensiones trifásica. Con él se reduce la corriente secundaria de cada fase aproximadamente a la mitad de la que corresponde a un circuito hexafásico de media onda; por tanto, pueden utilizarse diodos con menores valores límite de corriente de pico, aunque los valores de la tensión inversa de pico deben ser algo mayores. Este montaje se suele emplear cuando el coste de la bobina de compensación se amortiza con la economía obtenida empleando diodos con valores límite de
corrientes relativamente bajos. Se utiliza a menudo para los baños electrolíticos (baja tensión y gran corriente). El factor de utilización del primario y el del secundario son elevados; sin embargo, este último factor es 2 veces menor que el del circuito trifásico en puente. La frecuencia será el triple de la de red. Pérdidas
En las grandes instalaciones alimentadas por red trifásica las pérdidas son importantes, tanto por lo que se refiere al mal aprovechamiento de potencia como a la caída de tensión (regulación).
Regulación de tensión La regulación de tensión depende de tres factores principales: pérdidas en el cobre del transformador, caída de tensión en los diodos y caída de tensión en la conmutación.
Pé rd id as d e p o ten ci a Las principales pérdidas de potencia en una instalación se deberán al transformador (pérdidas en el núcleo y en el cobre) y a los diodos. Las pérdidas en el transformador se pueden determinar mediante dos pruebas que se describen a continuación. Para la prueba en circuito abierto se deja el secundario sin conectar y se miden la corriente y la potencia de alimentación a tensión y frecuencia nominales. La corriente I(oc) es la suma de la corriente de imanación y las componentes de pérdidas en el núcleo. La potencia indicada W( oc) representa las pérdidas en el cobre y en el núcleo. Las primeras son pequeñas, puesto que I( oc) es pequeña comparada con la corriente, a plena carga, por lo cual pueden despreciarse. En la prueba en cortocircuito, se cortocicuita el primario o el secundario y se aumenta gradualmente la tensión hasta que por el devanado circula la corriente especificada. Se mide la tensión de cortocircuito V sc necesaria para que por el devanado circule la corriente de plena carga. La potencia correspondiente W sc , representa las pérdidas en el cobre, I 2R, y una pequeña pérdida del núcleo, que puede despreciarse. Mediante las pruebas anteriores puede estimarse el funcionamiento de un transformador del modo siguiente: Potencia nominal del transformador VAn (voltamp.) Conexión del transformador
Estralla-triángulo
Tensión nominal del primario V PL (voltios) Tensión nominal del secundario
VL
Prueba en circuito abierto en el lado en estrella para la tensión nominal V L Pérdidas en el núcleo = W (oc) Corriente sin carga = I(oc) Prueba en cortocircuito en el lado en triángulo con secundario cortocircuitado Tensión de cortocircuito Vsc Pérdidas en el cobre, P K = Wsc vatios a la corriente especificada Corriente en el primario lPL = Van / 3.VPL Corriente en el primario, por fase = lPL / 3 Pérdidas en el cobre, por fase = Wsc / 3 vatios
Rendimiento del circuito
% de rendimiento =
salida / (salida + pérdidas) x 100
en donde, las pérdidas son W( oc) + Wsc + I0.VFAV x número de diodos en serie.
Comparación de resultados de los circuitos trifásicos
La tabla siguiente incluye los resultados de los circuitos rectificadores trifásicos generalmente empleados. Los resultados representados en dicha tabla suponen el empleo de diodos y transformador ideales. Sin embargo, la tabla da una buena idea del rendimiento de cada circuito y puede utilizarse para comparar los kilovatios por rectificador que se pueden obtener de cada circuito. Ello se comprenderá mejor con un ejemplo. Supónganse que se dispone de diodos con tensión de 400 V y una corriente de 20 A. La tabla compara los circuitos monofásico y trifásico de onda completa. De los resultados anteriores se observa que se aprovechan mejor los diodos en
el circuito trifásico en puente. Monofásico de onda completa puente
Trifásico de onda completa
4
6
Tensión de salida V 0
400/1,57 = 255V
400/1,05 = 380V
Corriente de salida I0
2 x 20 = 40A
3 x 20 = 60A
Potencia disponible V0.I0
255 x 40 = 10,2 kW
380 x 60 = 22,8 kW
kW de CC por diodo
10,2 / 4 = 2,55 kW
22,8 / 6 = 3,8 kW
Número de diodos utilizados
TABLA - Comparación de circuitos (Empleando diodos en los ue V RWM = 400V , I FAV = 20A)
