Convertidores de Corriente Alterna a Corriente Directa con Voltaje Promedio de Salida Variable

Convertidores de Corriente Alterna a Corriente Directa con Voltaje Promedio de

Salida Variable

Ing. Javier Rodríguez Bailey

Vp Vs = Vm Sin wt

-

+

Is+

Vo

+

+

-

-

-

Vr

VL

+

-

VS1

+

-

VD4

+

-

VS3

+

-

VD2D4 D2

S1 S3 Semiconvertidor de C. D.

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Vo

Serie1

Semiconvertidor de C. D.

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Vo

Serie1

=30°

=120°Semiconvertidor de C. D.

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Vo

Serie1

=0°

SEMICONVERTIDOR MONOFASICO


( 1 + Cos )Vm

Vdc

1(2 )

22

Vm aVrms Sen a

0

1 1( ) ( )o mVdc V d wt V Sen wt d wt

2 2

0

1 1( ) ( ) ( )o mVrms V d wt V Sen wt d wt

SEMICONVERTIDOR MONOFASICO


Vp Vs = Vm Sin wt

-

+

Is+

Vo

+

+

-

-

-

Vr

VL

+

-

VS1

+

-

VS4

+

-

VS3

+

-

VS2S4 S2

S1 S3

Convertidor completo de C. D.

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Vo

Serie1


-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Vo

Serie1


-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Vo

Serie1

=0°

=60° =120°

CONVERTIDOR COMPLETO MONOFASICO


CONVERTIDOR COMPLETO MONOFASICO

0

1 1( ) ( )o mVdc V d wt V Sen wt d wt

2

Cos

Vm

Vdc

2 2

0

1 1( ) ( ) ( )o mVrms V d wt V Sen wt d wt

2Vm

Vrms


A

B

C

a

b

c

n

S1 S3 S5

D4 D6 D2

-

+

Vo

X

Y

Semiconvertidor trifásico

-2

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

0 60 120 180 240 300 360Angulo

VoltajeVo=0°


-2-1.6-1.2-0.8-0.4

00.40.81.21.6

2

0 60 120 180 240 300 360Angulo

VoltajeVo=45°


-2-1.6-1.2-0.8-0.4

00.40.81.21.6

2

0 60 120 180 240 300 360Angulo

Voltaje Vo=75°

SEMICONVERTIDOR TRIFASICO


A

B

C

a

b

c

n

S1 S3 S5

D4 D6 D2

-

+

Vo

X

Y


-2

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

0 60 120 180 240 300 360Angulo

VoltajeVo


-2-1.6-1.2-0.8-0.4

00.40.81.21.6

2

0 60 120 180 240 300 360Angulo

VoltajeVo


-2-1.6-1.2-0.8-0.4

00.40.81.21.6

2

0 60 120 180 240 300 360Angulo

Voltaje Vo

=0°

=45° =75°

SEMICONVERTIDOR TRIFASICO


13 3

2

CosaVdc Vm

3

3 13 [ (2 )]

4 2Vrms Vm a Sen a

3

33 0.2355 cos(2 )

8Vrms Vm a

SEM ICONVERTIDOR TRIFASICO


A

B

C

a

b

c

n

S1 S3 S5

S4 S6 S2

-

+

Vo

X

Y

Convertidor completo trifásico

-2

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

0 60 120 180 240 300 360Angulo

Voltaje Vo

=75°Convertidor completo trifásico

-2

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

0 60 120 180 240 300 360Angulo

Voltaje Vo

=105°

Convertidor completo trifásico

-2

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

0 60 120 180 240 300 360Angulo

Voltaje Vo

=45°

CONVERTIDOR COMPLETO TRIFASICO


CONVERTIDOR COMPLETO TRIFASICO

3 3Vm

Vdc Cos

1 3 36 (2 )

4 8Vrms Vm Cos a

23

3

2

0

1 3( ) 3 ( )

2

o mVdc V d wt V Sen wt d wt

23

3

22 2

0

1 3( ) ( 3 ) ( )

2

o mVrms V d wt V Sen wt d wt


A continuación se analizara el comportamiento de los convertidores monofásicos desde el punto de vista del factor de potencia y contenido de armónicas que agregan la red de corriente alterna.

Recordatorio de Factor de potencia y distorsión total de armónicas:

THD)armónicas( de totalfactor llamadoTambién Is

armónicas deFactor HF 21

21

2

s

s

II


secundario del salida de en watts Potencia P

distorsión de potencia deFactor IsI

senoidal) es voltajesi solo validaesecuación (estaCosφIsI

VAsP

potencia deFactor PF

secundario de corriente de lfundamenta componente de RMSValor I

entodesplazami de ángulo secundario del corrientey voltajede

lesfundamenta scomponente entre samientodefa de ángulo φ

entodesplazami de potencia deFactor

φ Cos entodesplazami deFactor DF

s1

s1

s1

Dist. deFactor * desp. deFactor F.P

II

Distorsión deFactor s

s1



Determinación de la serie de Fourier de un

pulso en forma generalizada

a o1

2 f(t) d(wt )02 a n 1

f(t) Cos(nwt ) d(wt)02

b n 1 f(t) Sen(nwt ) d(wt )

02

a o1

2 d(wt) 2

2

an 1 Cos(nwt ) d(wt )

1

n Sen(nwt ) 1

n Sen n( ) sen(n)

Usando Sen A SenB 2 Cos 12 (A B) Sen 1

2 (A B)

an 2n cos n

2 ( 2) Sen n2 2

n Cos n( 2 )

Sen n2

b n 1 Sen (nwt ) d(wt )

1

n Cos(nwt ) 1

n Cos n( ) Cos(n)

Usando Cos A CosB 2 Sen12 (A B) Sen

12 (A B)

b n 2n Sen n

2 ( 2) Sen ( n2 ) 2

n Sen n( 2 )

Sen n2

DETERMINACION DE LA SERIE DE FOURIER DE UN PULSO EN FORMA GENERALIZADA NEGATIVO Y DEFASADO π RADIANES. USANDO EL DESARROLLO ANTERIOR CAMBIANDO LA AMPLITUD DE 1 A -1 Y POR π+

a o 2 a n 2

n Cos n( 2 )

Sen n

2

b n 2n Sen n(

2 )Sen n

2

Los coeficientes an y bn en el término coseno y seno tienen un defasamiento nπ, que para n impar equivale a un cambio de signo y para n par equivale a un defasamiento multiplo de 2 π o sea 0


SUMANDO LOS DOS PULSOS ANTERIORES SE OBTIENE LA FIGURA 3, Y SU SERIE DE FOURIER ES

a o

2 2 0

a n 2n Sen n

2Cos n(

2)

Cos n(

2 )

que para n impar da : an 4n Sen n

2 Cos n( 2 )

y para n par da an 0

bn 2n Sen n

2 Sen n( 2 )

Sen n(

2 )

que para n impar da : bn 4n Sen n

2Sen n(

2)

y para n par da : bn 0

Al sumar los dos pulsos la formA de onda tiene simetría de media onda: f(t)=-F(t+T/2)y por esta razón desaparecen todas las armonicas pares, por lo tanto para esta última curva la serie de Fourier sera

f(t ) 4n Sen n

2n 1, 3, 5... Cos n(

2 )

Cos nwt Sen n(

2 )

Sen nwt

f(t ) 4n Sen n

2n 1, 3, 5... Cos n(wt

2 )


Se analizara el convertidor completo monofásico de la figura con una carga formada por una resistencia (R), una inductancia muy grande (L) y una fuente de directa (E). Esto podría representar la armadura de un motor de C. D.

Debido a la inductancia grande la corriente por la carga será continua y constante. Los tiristores al dispararse con un atraso de ángulo controlaran el voltaje promedio aplicado a la carga.


Convertidor completo monofásico

Vp Vs = Vm Sin wt

-

+

Is+

Vo

+

+

-

-

-

Vr

VL

+

-

VS1+

-

VS4

+

-

VS3

+

-

VS2S4 S2

S1 S3

VE+

-

2

2

m m dcdc rms dc rms a

V V V EV Cos V I I I

R

. . 0.9003f p Coss

n 1,3...

4Iai Sen(nw nt )

n


Ondas de convertidor completo


Vcd y f. p. en convertidor completo

Convertidor completo monofásico

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 15 30 45 60 75 90Alfa

VCDnormalizado F.P.

Para el convertidor monofásico se tendrán los siguientes valores:

Fdist = =.9003

Fdesp = Cos

F. P. = 0.9003 Cos

I1 = 90.03% I7=12.86%

I3= 30.01% I9=10.0%

I5= 18% THD= 48.34%


Armónicas de convertidor completo

En el semiconvertidor mostrado en la figura la carga será una resistencia (R), una inductancia muy grande (L) y una fuente de directa (E), que podría representar la armadura de un motor de C. D.

Por ser un semiconvertidor el voltaje en la carga no puede ser negativo, y debido a la inductancia grande la corriente por la carga será continua y constante. El voltaje promedio aplicado a la carga se controla con el atraso en la señal de disparo a los tiristores.


Semiconvertidor monofásico

Vs = Vm Sin wt

-

+

Is+

Vo

+

+

-

-

-

Vr

VL

+

-

VS1

+

-

VD4

+

-

VS3

+

-

VD2D4 D2

S1 S3

+

-VE

0.5 (2 )1

2m m

dc rms

V V SenV Cos V

2 1. .

( )

Cosf p

1,3..

4 ( )( )

2 2a

sn

I ni Sen Sen nwt

n

n


Ondas de semiconvertidor monofásico


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 30 60 90 120 150 180Alfa

Vcdnormalizado F.P.


Vcd y f. p. de semiconvertidor monofásico


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 30 60 90 120 150 180Alfa

F.P. Fdesp Fdist


Fdist, fdesp y f. P. de semiconvertidor monofásico


Armónicas en semiconvertidor monofásicoArmónicas en semiconvertidor monofásico

0%

50%

100%

150%

0 30 60 90 120 150 180Alfa

1 3 5 7 9 Is THD

Para poder mejorar el factor de potencia se usara un semiconvertidor con tiristores con capacidad para encenderse y apagarse (se puede usar GTO) y se necesita agregar un diodo (DM) para permitir que la corriente de la carga pueda seguir circulando cuando se apaguen los tiristores.

Para mejorar el factor de potencia se tienen varias opciones que se describirán a continuación manteniendo la posibilidad de control del voltaje promedio aplicado a la carga


Como mejorar el factor de potencia en convertidores de C.

A. a C. D

VpVs = Vm Sin wt

-

+

Is+

Vo

+

+

-

-

-

Vr

VL

+

-

VS1

+

-

VD4

+

-

VS3+

-

VD2D4 D2

S1 S3

+

-VE

DM

Para mejorar el factor de potencia existen las siguientes opciones:

a) Control del ángulo de extinción

b) Control de ángulo simétrico

c) Modulación de ancho de pulso uniforme

d) Modulación de ancho de pulso senoidal


Opciones para mejorar f. P. en convertidores.

s

n 1,3...

n4Iai Sen Sen(n

2wt

n 2

n)

2 1. .

( )

Cosf p

0.5 (2 )1

2m m

dc rms

V V SenV Cos V


Ondas de control de ángulo de extinción

nwtSen2

nSen

n

I4i

..3,1n

as

2Sen

22.p.f

Sen

2

VV

2Sen

V2V m

rmsm

dc


Ondas de control de ángulo simétrico


Vcd y f.p de control de ángulo simétricoControl de ángulo simétrico

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 30 60 90 120 150 180Beta

VCDnormalizado Fdesp Fdist=F.P.


Armónicas de control de ángulo simétrico

Control de ángulo simétrico

0.00%

50.00%

100.00%

150.00%

0 30 60 90 120 150 180Beta

1 3 5 7 9 Is THD

1,2,...

( )p

mm m mdc

m

VCos CosV

1,2,...

1 1 1(2 ) (2 2 )

2 2 2

p

m m m m mrmsm

V Sen SenV

1,3,... 1,2

2( )

pa

s n n m m mn m

Ii C Sen nwt donde C Cos n Cos n n

n


Ondas de modulación de ancho de pulso uniforme


Vcd y f.p. de modulación de ancho de pulso uniforme.

Modulación de pulsos uniforme

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Indice de modulación

FDESP FDIST=FP VDCnormalizado


Armónicas de modulación de ancho de pulso uniforme.

Modulación de ancho de pulso uniforma

0.00%

50.00%

100.00%

150.00%

200.00%

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Indice de modulación

1 3 5 7 9 IS THD


THD de modulación de ancho de pulso uniformeComparación de THD

0%50%

100%150%

200%250%

300%350%

400%


THDTHD THDhasta9

1,2,...

( )p

mm m mdc

m

VCos CosV


1,2,...

1 1 1(2 ) (2 2 )

2 2 2

p

m m m m mrmsm

V Sen SenV

1,3,... 1,2

2( )

pa

s n n m m mn m

Ii C Sen nwt donde C Cos n Cos n n

n

Ondas de modulación de ancho de pulso senoidal.


Vcd y f. P. de modulación de ancho de pulso senoidal

Modulación de ancho de pulso senoidal

00.10.20.30.40.5

0.60.70.80.9

1


Fdesp Fdisp=FP Vdctotal


Armónicas de modulación de ancho de pulso senoidal. Modulación de ancho de pulso senoidal

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%


1 3 5 7 9 Is THD


THD de modulación de ancho de pulso senoidal. Modulación de ancho de pulso senoidal

0%

50%

100%

150%

200%

250%

300%


THD THDhasta9

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