Rectificador 12 Pulsos

Tema 2: Rectific Rectificador adores es multip multipulso ulso

Tema 2: Rect Rectificad ificador ores es mult multipuls ipulso o Lección 3: Rectificadores no controlados trifásicos.

Departamento de Electrónica, Universidad de Alcalá,

Master Universitario en Sistemas Electrónicos Avanzados


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1

Introducción

2

Rectificadores Rectificado res trifásicos de diodos con carga de corriente corriente constante

3

Rectificad Recti ficador ores es para aplicacione aplicacioness de alta potencia: potencia: 12 pulsos

4

Resumen y conclusiones conclusiones

5

Autoevaluación

6

Bibliografía


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1

Introducción

2

Rectificadores Rectificado res trifásicos de diodos con carga de corriente corriente constante

3

Rectificad Recti ficador ores es para aplicacione aplicacioness de alta potencia: potencia: 12 pulsos

4

Resumen y conclusiones conclusiones

5

Autoevaluación

6

Bibliografía


Introducción

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1

Introducción

2

Rectificado Recti ficadores res trifásicos trifásicos de diodos con carga de corriente corriente constante constante

3

Rectificado Recti ficadores res para aplicacion aplicaciones es de alta potencia: potencia: 12 pulsos

4

Resumen Resume n y conclusione conclusioness

5

Autoevaluación

6

Bibliografía


Introducción

Introducción En aplicaciones industriales es habitual tener acometidas eléctricas trifásicas. En estas circunstancias es ventajoso realizar conversiones AC/DC mediante rectificadores trifásicos: Consumen potencia instantánea constante (Ver Lección 1). Presentan un rizado mucho menor. Son capaces de manejar más potencia.

El convertidor básico en estas circunstancias es el rectificador trifásico no controlado de seis pulsos. Su topología es la siguiente.


Introducción

Introducción En primer lugar estudiaremos el funcionamiento con una carga de corriente constante. En este caso es una situación mucho más cercana a la realidad: Los rectificadores trifásicos se emplean en aplicaciones de más potencia donde el MCC es mucho más habitual. Tras este análisis estudiaremos el caso de corriente MCC pero no constante. La última parte de la lección esta dedicada a estudiar topologías adecuadas para mayores potencias: el rectificador de 12 pulsos.

Tema 2: Rectificadores multipulso

Rectificadores trifásicos de diodos con carga de corriente constante

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1

Introducción

2

Rectificadores trifásicos de diodos con carga de corriente constante Análisis con una red ideal: Ls = 0 Análisis con Ls  = 0. Análisis en MCC con L finita Análisis con tensión DC constante: vO (t) = V O Rectificadores reales prácticos

3

Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos

4

Resumen y conclusiones

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Autoevaluación

6

Bibliografía


Rectificadores trifásicos de diodos con carga de corriente constante Análisis con una red ideal: Ls = 0

Análisis con una red ideal: Ls = 0 Una primera aproximación en el análisis es suponer que la red es un generador independiente de tensión. Podemos representar el rectificador de una manera ligeramente diferente: El rectificador consiste en dos grupos de diodos. Sin inductancia de línea es fácil ver que en cada grupo conduce el diodo con mayor tensión ánodo-cátodo. En el grupo inferior conducirá el diodo cuyo cátodo esté a menor potencial. En el grupo superior conducirá el diodo cuyo cátodo esté a mayor potencial.



Ls = 0. Formas de onda

A continuación se estudiará el funcionamiento de el rectificador trifásico.



Ls = 0. Formas de onda:

π 6

<α

≤ π2




π 2

<α

≤ 5π6




5π 6

<α

≤ 7π6




7π 6

<α

≤ 3π2




3π 2

<α

≤ 11π 6




11π 6

<α

≤ π6



Ls = 0. Rectificador de 6 pulsos.



Valor medio de vO . Por facilidad de calculo conviene mover el eje de tiempos. Podemos calcular el valor medio como V O0

1 = 2π



2

0

πv O (wt)dwt

Dada la simetría del problema, se puede calcular como: V O0

= =

π

 

3 = π

6 π

−6

√ 3 2V

LL

π

2V LL cos(wt)dwt =



Área A π

6 [sen(wt)]− π 6

√ 3 2V

LL

π

√

≈ 1.35V LL



√

3 2V LL = [ ( 0.5) + 0.5] = π

−−



Calidad de la energía consumida: Estudio de I a . En el caso Ls =0, la corriente is es una señal cuadrada como la representada en la figura. Podemos calcular el valor eficaz como: I a =

  1 2π

2π

0

i2a dt =

   1 π

5π 6

π/6

2 dt = I O



2 I O 3



Calidad de la energía consumida: Estudio de I a1 . En el caso Ls =0, la corriente ia es una señal cuadrada como la representada en la figura. La red es un tono puro: podemos aplicar el balance de potencia para calcular el valor eficaz del primer armónico del ia . Imponiendo P s = P O :

√

√

3V LL I a1 cos(ϕ) = I O V O

⇒       P s

P O

I a1 =

 I O 3 π 2 V L L

√ 3V  LL 

=

√ 6 π

I O

≈ 0.78I O



Distribución armónica de ia (t) El desarrollo en serie de Fourier de esta señal presenta: Armónicos impares no múltiplos de 3 (¿Por qué?). De valor eficaz I ah =

Ia 1 h

.

El valor eficaz del primer armónico: I a1 =

√ 6 π

I d

Podemos calcular la distorsión armónica (THD) : I a T HD = r = I a1

 −  I a2

I a21

I a21

=

π2 9

− 1 ≈ 0.31 = 31%

El elevado valor de THD se corresponde con lo poco sinusoidal que es ia



Factor de potencia Dado el alto contenido armónico de la señal de corriente es de esperar que el factor de potencia sea algo bajo. P F =

P = S

√ V 3I O I V O

a LL

√

=

3 2 V LL I O π

√ 3V

LL



2 I 3 O

=

3 π

El primer armónico de corriente va en fase con la tensión de red, por tanto el DPF: DP F = cos(ϕ) = 1


Rectificadores trifásicos de diodos con carga de corriente constante = 0. Análisis con Ls 

Análisis con Ls  = 0.

Extendemos el análisis realizado en capítulos anteriores al caso trifásico. Observemos la conmutación entre el diodo 5 y el 1 ( c → a). En t = 0− la corriente I O circula por D5 y D6 . D1 se encuentra en OFF y vO =vP − vN = v cb Durante la conmutación t < u, D1 se polariza en directo. La corriente ia evoluciona a I O e ic evoluciona a 0. En t = u la conmutación ha terminado, vO = v ab .

Este retardo al conmutar influye sobre la forma de onda de la corriente y sobre V O . Preguntas: u, Au , V O .



Análisis con Ls  = 0. Cálculo de u

Planteamos la ecuación de la malla formada por los diodos D1 y D5 durante la conmutación. Como ambos diodos se encuentran en conducción: van

− ia y por tanto didt = − didt . √ − v = v = 2V sin(wt), si colocamos el origen de tiempo como en la

ic = I O van

− vcn = Ls didta − Ls didtc

figura.

c

cn

ac

a

LL

√

2V LL sin(wt) = 2Ls

dia dia = 2wLs dt dwt



Análisis con Ls  = 0. Cálculo de u Integrando la ecuación:

 √ u

0



I O

2V LL sin(wt)dwt = w2Ls

Por lo que: cos(u) = 1

− 2wL √ 2V s I O LL

0

dia



Análisis con Ls  = 0. Cálculo de Au

Au , como se observa en la figura, es el área encerrada entre van y vP :



u

Au =

0



u

(van

− vP )dwt =

0



I O

V La dwt = wLs

Por tanto: Au = wLs I O

0

dia



Análisis con Ls  = 0. Efecto sobre vO

El área Au se substrae a la señal ideal vO 6 veces por periodo (6 pulsos). Por tanto: √ V O = V O0

− 2π6 Au = 3

2V LL π

− 3wLπs I O


Rectificadores trifásicos de diodos con carga de corriente constante Análisis en MCC con L finita

Análisis en MCC con L finita Suponer iO constante es conveniente a nivel didáctico: simplicidad. En la práctica es imposible conseguir corrientes constantes. En rectificadores trifásicos es habitual el funcionamiento en Modo de Conducción Continua (MCC) incluso para inductancias relativamente pequeñas. EL THD se mantiene en torno al 30% La señal de fase corresponde al troceado de una señal con frecuencia igual a la de vO : 6 veces la fundamental.


Rectificadores trifásicos de diodos con carga de corriente constante Análisis con tensión DC constante: vO (t) = V O

Análisis con tensión DC constante: vO (t) = V O Otra aproximación: el condensador de filtrado es grande → vO = cte Asumiremos corriente discontinua: solo conducen dos diodos (uno superior y uno inferior): circuito equivalente.


Rectificadores trifásicos de diodos con carga de corriente constante Análisis con tensión DC constante: vO (t) = V O

Análisis con tensión DC constante: vO (t) = V O

Figure: THD, DPF, PF en un rectificador vO cte.

Figure: V d normalizado y CF en un rectificador vO cte.


Rectificadores trifásicos de diodos con carga de corriente constante Rectificadores reales prácticos

Comportamiento de convertidores reales En realidad la tensión vO no es constante.



Formas de onda Modo de Conducción Discontinua (MCD) y MCC



Formas de onda. Medidas de calidad Tanto el factor de potencia como la distorsión armónica mejoran cuando el convertidor funciona a altas corrientes. MCC mejor que MCD. El incremento de la inductancia de linea, en la mayoría de las situaciones, mejora los índices de calidad.



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Introducción

2


3

Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos Rectificadores multipulso. Rectificadores multipulso: vO . Rectificador 12 pulsos: iabc . Estructuras de 12 pulsos prácticas. Estructuras de más de 12 pulsos.

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Autoevaluación

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Bibliografía


Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos Rectificadores multipulso.

Rectificadores multipulso Las estructuras de rectificadores multipulso son habituales en aplicaciones: De alta potencia. Donde se requieran altas calidades en la corriente de red. Ambos casos.

Esencialmente son asociaciones serie de rectificadores trifásicos no controlados.

Esa asociación se hace de manera que el rizado de los convertidores quede intercalado. El rectificador de 12 pulsos esta compuesto de dos rectificadores intercalados. Este intercalado, tiene repercusión en la calidad de la señal DC pero también, en la calidad de las corrientes AC.


Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos Rectificadores multipulso: vO .

Desfase de vO . En general si queremos construir un rectificador de 6 · n pulsos necesitaremos desfasar los rectificadores π3 n1 . Para desfasar los pulsos podemos desfasar las señales trifásicas de entrada. En concreto, para conseguir el rectificador de doce pulsos, son necesarias dos señales trifásicas que cumplan: Su tensión de linea sea idéntica (V Oi = V O /n) 1 π Sus tensiones de linea vayan desfasadas π 3 2 = 6 .

¿Como podemos desfasar las señales trifásicas? Mediante transformadores.



Desfase de las señales trifásicas Existen estructuras de transformadores para conseguir un desfase arbitrario (Estructuras en zig-zag). Estudiaremos el caso de 12 pulsos: n = 2. Para ello necesitaremos que los dos rectificadores funcionen con un desfase de 30o . Partiremos de un ejemplo concreto y veremos los casos generales después.



Análisis rectificador de 12 pulsos El lado DC consistirá en 12 pulsos como los representados previamente. Esto mejora su calidad (primer armónico a 12w) y su rango de potencia. ¿Qué ocurre en el lado AC?. Estrategia: Calcular ia1 = i a1 . Para ello utilizaremos va n

√

− i Calcular ia2 = 1/ 3(i ). Utilizaremos va n y vb n . a2 b2 Estudiaremos la corriente total: ia = ia1 − ia2


Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos Rectificador 12 pulsos: iabc .

Cálculo de ia1 = i a1 utilizando va n La tensión va n (y el resto del sistema) es igual a van . La corriente ia1 es igual a ia1 .



Cálculo de ia2

√ = 1/ 3(i − i ) mediante v  a2

b2

a n

y vb n .



Cálculo de ia = i a1 + ia2 . Sumando ambas corriente, obtenemos la corriente que consume el rectificador de la red eléctrica. Incluso en el caso iO = I O , la corriente total tiene una forma sinusoidal.



THD La señal ia va en fase con va : DPF=1. Su contenido armónico es mucho menor que el de un rectificador estándar.



Curvas reales convertidor de 12 pulsos



Curvas reales convertidor de 12 pulsos

Corriente ia1

Corriente ia


Rectificadores para aplicaciones de alta potencia: 12 pulsos Estructuras de 12 pulsos prácticas. Estructuras de más de 12 pulsos.

Estructuras de 12 pulsos prácticas. En términos de calidad el convertidor estudiado es válido. Sin embargo, el mecanismo para generar el desfase es redundante. Es posible conseguir el mismo resultado usando un único devanado primario: El análisis es un poco más complicado.

Estructuras de más de 12 pulsos Es posible utilizar el mismo principio para construir estructuras de 24,32, 48, ... Para generarlas es necesario desfasar el sistema trifásico en ángulos diferentes a 30 (∆Y ). Los desfases de otros ángulos se pueden generar con transformadores zig-zag. Pueden consultarse en la bibliografía avanzada.



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Introducción

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Autoevaluación

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Bibliografía



Resumen y conclusiones Los rectificadores trifásicos son sistemas tremendamente habituales. Son baratos, robustos, efectivos. Su mayor problema: producen mucha distorsión de linea.

Se han estudiado su comportamiento en modo MCC, por ser el más habitual. Se han estudiado las formas de onda básicas y los parámetros más importantes: V do , V d , THD, PF, etc. Las formas de onda en MCD son fácilmente deducibles, pero el análisis es muy complicado. Recurriremos a la simulación. Los rectificadores multipulso son una asociación serie inteligente de rectificadores trifásicos. Tienen dos ventajas: Amplían el rango de potencias del rectificadores. Mejoran la calidad de las formas de onda, tanto DC como AC.

Su construcción es sencilla, aunque incrementa costes.


Autoevaluación

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Introducción

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Autoevaluación

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Bibliografía


Autoevaluación

1 Conocer la topología del rectificador trifásico. 2 Conocer su funcionamiento, y sus formas de onda en MCC con id constante. 3 Conocer la tensión media producida a la salida, y PF, THD, etc. de las corrientes de línea. 4 Conocer el efecto de la inductancia de línea en el funcionamiento del rectificador. 5 Conocer la distribución armónica de las corrientes de red. 6 Conocer las formas de onda en el caso de Ls ∈ R. 7 Conocer las formas de onda en el caso de MCD. 8 Conocer los fundamentos de la rectificación multipulso. 9 Saber calcular los desfases para el caso de 6 · n pulsos. 10 Conocer el funcionamiento del rectificador de 12 pulsos y su distribución armónica.


Bibliografía

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Introducción

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Bibliografía


Bibliografía

Lecturas básicas Ned Mohan, Tore M. Undeland, and William P. Robbins. Power Electronics. Third Edition., chapter 5, pages 379–102. Willey, 2003. Sección de capítulo dedicada a la descripción de los rectificadores trifásicos no controlados. Cubre los contenidos de clase excepto los relativos a los convertidores multipulso. Se recomienda su lectura.

Jesús Ureña Ureña, Miguel Ángel Sotelo Vázquez, Fco. Javier Rodríguez Sánchez, Rafael Barea Navarro, Mariano Domínguez Herranz, Emilio J. Bueno Peña, and Pedro A. Revenga de Toro. Electrónica de Potencia, chapter 5, pages 5.19–5.29. Servicio de Publicaciones UAH, 1999. Parte de capitulo del texto fundamental de la asignatura dedicado a realizar una introducción de los convertdidores ACDC y a describir los rectificadores trifásicos no controlados. Cubre los contenidos de clase excepto la rectificación multipulso, siguiendo la didáctica del libro de Mohan. Escrito en español.


Bibliografía

Lecturas de ampliación Andrés Barrado Bautista and Antonio Lázaro Blanco, editors. Problemas de Electrónica de Potencia, chapter 4, pages 295–325. Pearson Education., 2007. Excelente libro de problemas de Electrónica de Potencia en español. Esta parte de este capítulo esta dedicado a los rectificadores trifásicos no controlados y a la asociación de rectificadores. Algunos ejercicios pueden superar el nivel de la asignatura, pero en general es muy recomendable.

Bin Wu. High-power Converters and AC drives , chapter 3, pages 35–65.

IEEE Press & Wiley-Interscience, 2006. Capitulo dedicado a la rectificacion multipulso. Cubre la rectificación de 12 pulsos y superiores. El texto de Bin Wu es una referencia mundial en convertidores de potencia. Se recomienda la lectura de esta capítulo. Los rectificadores de 18 pulsos (y más) no se dan en la asignatura.


Bibliografía

Lecturas avanzadas Bin Wu. High-power Converters and AC drives , chapter 3,4,5, pages 35–92.

IEEE Press & Wiley-Interscience, 2006. Capitulos dedicado a la rectificacion multipulso. Cubre la rectificación de 12 pulsos y superiores mediante diodos y tiristores. El último capítulo describe el diseño de transformadores en zig-zag para la construcción de las topologías de orden superior. El texto de Bin Wu es una referencia mundial en convertidores de potencia. Se recomienda la lectura como lectura avanzada.

Rectificador 12 Pulsos

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