Rectificadores Trifasicos PDF

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Electrónica de Potencia Tema 3 Rectificadores Trifásicos Mario Peralta P. Ing. Civil / Mag. Ing. Valores promedios y efectivos de señales Senoidales Valor medio o componente continua: Vdc = 1 T ∫ f (t )dt T Lo mide un instrumento de CC 0 Valor efectivo eficaz o rms: V rms = 1 T ∫ ( f (t )) dt T 0 2 ...

Description

Electrónica de Potencia Tema 3 Rectificadores Trifásicos

Mario Peralta P. Ing. Civil / Mag. Ing.

Valores promedios y efectivos de señales Senoidales Valor medio o componente continua:

Vdc =

1 T

∫ f (t )dt T

Lo mide un instrumento de CC

0

Valor efectivo eficaz o rms:

Vrms =

1 T

∫ ( f (t )) T

0

2

dt

Lo mide un instrumento de CA

Mario Peralta P. Ing. Civil / Mag. Ing.

Ejemplo: Rectificador de media onda, calcular el valor de la componente continua o Vdc en la carga

Este rectificador permite obtener solamente media onda, ya que permitirá el paso de corriente sólo cuando la polaridad sea positiva.

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Ejemplo: Rectificador de media onda

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La corriente circulante por el diodo puede calcularse, en el momento en que conduce, mediante:

Y el voltaje en la carga, por la ley de Ohm:

El valor medio del voltaje de la carga se obtiene integrando V(t) por todo un período y dividiendo por un período (ojo, no confundir ambas operaciones):

Tarea: Calcule el valor rms Mario Peralta P. Ing. Civil / Mag. Ing.

Circuitos rectificadores de potencia no controlados con carga resistiva • Los convertidores alterna-continua, también conocidos como rectificadores, son muy utilizados, ya que gran parte de la energía eléctrica demandada se hace en forma de corriente continua. • Un sistema rectificador comprende las siguientes partes: – Transformador de alimentación. – El conjunto rectificador en si (compuesto por los dispositivos semiconductores). – Filtro (para reducir el factor de ondulación de la tensión rectificada). – Circuitos o dispositivos de protección y de maniobra. Mario Peralta P. Ing. Civil / Mag. Ing.

Circuitos rectificadores de potencia no controlados con carga resistiva •

Los rectificadores los vamos a englobar en dos grupos: – –

•

•

• •

Rectificadores no controlados. Rectificadores controlados.

En el grupo de los no controlados se incluyen aquellos montajes en los que se utiliza el diodo como dispositivo rectificador y en el otro grupo tendremos los que utilizan dispositivos controlables, los tiristores, y que son conocidos como rectificadores controlados. Si en estos últimos sólo se usan tiristores, serán totalmente controlados, y si se utilizan tiristores y diodos se les llamará semicontrolados. El diodo es un semiconductor, que dejará pasar la corriente cuando el ánodo sea positivo respecto al cátodo, y no conducirá cuando la tensión aplicada a sus extremos sea la contraria. Esto hace del diodo un componente adecuado para ser utilizado, solo o con otros diodos, como rectificador. En bloqueo, la corriente que circula por el diodo recibe el nombre de corriente de fugas y es prácticamente cero. También tendremos en cuenta, además de la tensión directa VF, la tensión inversa que soporta el diodo VRRM o PIV. Mario Peralta P. Ing. Civil / Mag. Ing.

Circuitos rectificadores de potencia no controlados con carga resistiva •

Rectificador Trifásico de Media Onda

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Se utilizarán este tipo de circuitos para potencias de algunos kW, con tensiones de 220 y 400V, hasta cientos de kW. Se suele aumentar el número de fases para proteger a los diodos de tensiones o corrientes demasiado elevadas. Además, la frecuencia de rizado en la carga también resulta determinante a la hora de usar rectificadores polifásicos, ya que nos facilitan el rizado y disminuyen los elevados costos que ocasionaría el gran tamaño de los filtros en rectificadores monofásicos para grandes potencias.

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Circuitos rectificadores de potencia no controlados con carga resistiva •

Rectificador Trifásico de Media Onda

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Circuitos rectificadores de potencia no controlados con carga resistiva •

Rectificador Trifásico de Media Onda – Funcionamiento • Los diodos tienen sus cátodos conectados a un punto común, para que en cualquier instante de tiempo el diodo con el mayor voltaje aplicado conduzca, mientras los otros dos estarán polarizados inversamente. • Cada diodo conduce alternativamente durante periodos de 120° (2π/3), o sea un tercio de periodo. Con esto se consigue un rectificador que presenta un bajo factor de ondulación, en comparación con los monofásicos. • Se colocará el primario en triángulo para anular el tercer armónico de la tensión de la red. • Las tensiones de alimentación referidas al neutro, que se encuentran desfasadas 120°, serán: van = V max Senωt vbn = Vmax Sen (ω t − 120 º) vcn = Vmax Sen (ωt − 240 º )

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Límites de integración para el cálculo del valor medio de la tensión en la carga.

Cálculos para obtener las especificaciones técnicas del circuito y los componentes involucrados Tensión media en la carga: Vdc =

1 2π 3

π

∫π V 3 − 3

max

Cosωt dω t =

3

π

 π Vmax Sen  = 0,827 Vmax  3

Tensión eficaz en la carga: Vrms =

1 2π 3

π

∫ π (V 3

−

Cos ωt )2 d ωt = 0,84068V max

max

3

Corriente eficaz en la carga: π

Formas de ondas en el rectificador trifásico de media onda.

I rms =

1 3 (I Cos ωt )2d ωt = 0,84068I 2π ∫− π3 max 3

max

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Cálculos para obtener las especificaciones técnicas del circuito y los componentes involucrados Tensión Inversa máxima diodos La tensión inversa máxima en el diodo es igual que la tensión máxima de línea en el secundario, por lo tanto: PIV = 3V max

Corriente máxima en diodos I D ( dc ) =

1 2π

π

∫π I 3

−

Cosω t dω t = Imax

max

3

1

π

  Sen π  = 0,2757⋅ Imax  3

La corriente máxima que circulará en los diodos será la corriente máxima que circule por el circuito. I D (dc ) = (0, 2757 )I max → I max =

I D (dc ) 0, 2757

=

Idc 3 0. 2757

Potencia aparente del transformador S = 3VS I S

VS voltaje eficaz de fase del secundario IS corriente eficaz de fase del secundario

Tensión eficaz en el secundario → VS = Vmax 2 = 0,707V max Intensidad eficaz en el secundario → I S = Vrms 3 R = 0, 4854Vmax R

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Cálculos para obtener las especificaciones técnicas del circuito y los componentes involucrados Factor de utilización del transformador TUF =

Pdc V SI

S

=

0,827 2 1 = 0, 6643 → = 1,505 3 (0,707 )(0, 4854 ) TUF

Porcentaje de ondulación Calculamos ahora el factor de forma: FF =

V rms 0,84068 = =1,0165 → (101,65% ) 0,827 Vdc

El factor de rizado es: RF = FF 2 − 1 = 0,1824 → (18, 24% )

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Circuitos rectificadores de potencia no controlados con carga resistiva Ejemplos 1. Dado un rectificador trifásico de media onda con carga resistiva. Calcular: a) b) c) d)

Tensión máxima en la carga. Tensión media en la carga. Corriente peak en la carga. Corriente media en la carga.

e) f) g)

Corriente peak en los diodos. Tensión inversa peak en los diodos. Corriente media en los diodos. Datos : R = 25 Ω

VLS = 480Vrms f = 50Hz

2.

Dado un rectificador trifásico de media onda con carga puramente resistiva.Calcular:

a) b)

Tensión inversa de peak en el diodo (PIV) Corriente media a través de cada diodo Idc=30A, Vdc=140V. Datos : Idc=30A, Vdc =140V.

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Circuitos rectificadores de potencia no controlados con carga resistiva •

Rectificador Trifásico de Onda Completa

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Circuitos rectificadores de potencia no controlados con carga resistiva •

Rectificador Trifásico de Onda Completo – Funcionamiento • Este tipo de circuitos se puede estudiar dividiéndolo en dos partes: • Rectificador tipo P: Será la parte de circuito compuesta por los diodos D1, D2, D3, y que tiene un comportamiento igual a un rectificador trifásico de media onda. En cualquier instante permitirá conectar a la carga el más alto de los voltajes trifásicos. • Rectificador tipo N: Está compuesto por los diodos D4, D5, D6, y en cualquier instante permitirá conectar a la carga con el más bajo de los tres voltajes de alimentación. • Con la unión de ambas partes conseguimos que durante todo el tiempo se conecte el más alto de los tres voltajes a uno de los terminales de la carga y al otro terminal de la carga se conecte el más bajo de dichos voltajes. • En la figura que se muestra a continuación podemos observar como la parte superior de la forma de onda es la del grupo tipo P, y la inferior la del tipo N. Así, el voltaje en la carga puede considerarse como la suma de los voltajes de dos rectificadores de media onda trifásicos, con relación al neutro “n”.

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Formas de onda del puente rectificador trifásico.

En la figura, para la tensión en la carga vemos seis pulsos con una duración de π/3, provocando en cada periodo una secuencia de conducción de los diodos tal que: D3D5; D5D1; D1D6; D6D2; D2D4; D4D3 La secuencia de conducción corresponde a los seis voltajes senoidales por ciclo, y cuya diferencia de voltajes es: vcn-vbn; van-vbn; van-vcn; vbn-vcn; vbn-van; vcn-van El máximo voltaje será:

3V

max Mario Peralta P. Ing. Civil / Mag. Ing.

Formas de onda del puente rectificador trifásico.

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En el diagrama fasorial se pueden apreciar los voltajes compuestos, tomando Vab como origen de fases.

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Cálculos para obtener las especificaciones técnicas del circuito y los componentes involucrados Tensión media en la carga Se puede calcular obteniendo la tensión media que entrega cada rectificador de media onda (tipo P y tipo N) que compone el puente:

V dc = 2 × podemos decir que: Vdc =

3 3

π

1 2π 3

π

∫ πV 3 − 3

VF( max) =

3

π

max

Cosω t dω t = 1,654 Vmax

V L( max)

Tensión eficaz en la carga Vrms =

π  2 6 2 2 3 (V max ) (Cos ωt ) d ωt =   2 π ∫0  6

3 9 3 + 2 4π

 V = 1, 6554V max  max 

Tensión inversa máxima PIV = 3Vmax

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Cálculos para obtener las especificaciones técnicas del circuito y los componentes involucrados Corriente media en los diodos:

La corriente máxima en los diodos es Imax= 3V /R , que max corresponde a la corriente máxima de línea. Además cabe destacar que en los diodos circula la intensidad que atraviesa la carga, durante T/3: I D ( dc) = 4 2π

π

∫

6 0

π  I maxCos ωt d ωt = I max 2 Sen  = 0, 3183I max π 6

Corriente eficaz en los diodos: I D( rms) =

4 2π

π 6 0

∫(I

max

Cosω t) 2 dω t = Imax

1 π 1 2π   + Sen  = 0, 5518 Imax π 6 2 6

Corriente eficaz en el secundario del transformador: IS =

8 2π

π

∫ (I ) (Cos ωt ) d ωt 2

6

0

2

max

π π = I max 2  + 1 Sen 2  = 0, 7804I max π 6 2 6 

Como cada bobina del secundario está unida a dos diodos, por ellas circulará corriente durante dos intervalos de T/3 de duración.

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Cálculos para obtener las especificaciones técnicas del circuito y los componentes involucrados Potencia aparente del transformador S = 3VS I S

Tensión eficaz en el secundario → VS = Vmax 2 = 0,707V max Intensidad eficaz en el secundario → I S = 0, 7804 Imax = 0,7804 3Vmax / R

Factor de utilización del transformador TUF =

P dc VS I S

=

(1,654 ) 2 = 0 ,9542 )(0 , 7804 )

3 3 (0 ,707

→

1 TUF

= 1,048

Porcentaje de ondulación El factor de forma valdrá: FF =

Vrms 1, 6554 = = 1, 0008 → (100,08%) 1,654 V dc

El factor de rizado es: Calculamos ahora el factor de rizado: RF = FF 2 − 1 = 0, 04 → (4% )

Mario Peralta P. Ing. Civil / Mag. Ing.

Ejercicio 1. Dado un puente rectificador trifásico de onda completa con carga resistiva. Calcular lo siguiente: (a) (b) (c) (d) (e)

Tensión media en la carga. Corriente media en la carga. Corriente media en los diodos. Tensión inversa de máxima en los diodos. Potencia media en la carga.

Datos : R=100 Ω

VLS=480 Vrms, f =50Hz

2. Dado un puente rectificador trifásico de onda completa con carga puramente resistiva. Calcular: (a) (b)

La tensión inversa máxima en el diodo (PIV). La corriente máxima a través de cada diodo.

Datos : Idc=60 A

Vdc=280,7 V

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