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1. Escuela Politcnica Superior de ElcheElectrnica de Potencia Tema 3Rectificacin no controlada Jos Manuel Blanes Ausias Garrigs SirventJos Antonio Carrasco1 IntroduccinIntroduccinUn rectificador es un circuito que convierte la corriente alterna en continua. La finalidadde un rectificador es generar una salida continua o proporcionar una onda de tensin ocorriente que tenga una determinada componente de continua.Los circuitos rectificadores se dividen en dos bloques: - RECTIFICADORES NO CONTROLADOSImplementados con diodos. - Media onda. - Onda completa. - Trifsicos. - RECTIFICADORES CONTROLADOSImplementados con tiristores. Permiten ajustar el valor de continua de salida variando el instante de disparo del tiristor. - Media onda. - Onda completa. - Trifsicos.En este tema se va a estudiar las diferentes topologas de los rectificadores monofsicos ytrifsicos no controlados (el valor medio de la tensin de salida viene determinado por lapropia topologa y por la carga del circuito), su principio de funcionamiento y susprincipales caractersticas.1 2. 1 IntroduccinParmetros de funcionamiento de los rectificadoresV: Valor eficaz de la tensin de salida.I: Valor eficaz de la corriente de salida.Vd: Valor medio de la tensin en la carga .Id: Valor medio de la intensidad en la carga .Pd= Vd Id : Potencia de continua en la carga (no tiene porque ser la potencia activadisipada en la carga).Sd= V I : Potencia aparente a la salida del rectificador.= Pd/ Sd : Rendimiento.Vac: Valor eficaz de la componente AC de la tensin de salida. La tensin de salida puedeser considerada como un superposicin de dos componentes (DC+AC),Vac = (V 2 Vd )2FF=V/Vd: Factor de forma. Es una medida de la forma de la tensin de salida delrectificador. (Idealmente FF=1, toda la salida es continua)1 IntroduccinParmetros de funcionamiento de los rectificadoresRF=Vac/Vd: Factor de Rizado, es una medida del contenido de rizado de la tensin desalida del rectificador. (Idealmente =0, toda las salida es continua)(V 2 Vd )2 RF = = FF 2 1 VdTUF: Factor de utilizacin del transformador. Pd Donde Vs e Is son los valores eficaces de tensin y TUF =corriente en el secundario del transformador.Vs I sPF: Factor de potencia. Da una idea de cuanta potencia invertida se consume en la carga.El caso ideal PF=1.PactivaPF =Vs I sLa potencia activa se puede hacer desde 2 puntos de vista:-Desde el lado AC: Se desarrolla en serie de Fourier la intensidad de entrada y semultiplica nicamente el primer armnico de frecuencia igual a la tensin de entrada. PACT = VS I S 1 cos(1 )-Desde el lado DC: Mas fcil si una de las variables de salida es continua PACT = Vd I d 2 3. 2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos de media ondaEs el rectificador ms sencillo. Poco utilizado ya que la tensin de salida tiene un altorizado, y la intensidad tiene una componente de continua que, en el caso de que se empleeun transformador nos obliga a sobredimensionarlo. A continuacin se va a realizar elestudio de este rectificador con distintas cargas.Carga Resistiva vs = 2Vs sen( wt )2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos de media onda (Carga resistiva)El valor de continua (Valor medio) generado a partir del rectificador de media onda: T 2 11 1 2VS Tv Vd = vd (t )dt =(t )d (t ) =2VS sen(t )d (t ) = = 0.45VS 22 d 0 00 T 1 vd (t )2VEl valor medio de la corriente que circula por la carga:Id = R dt = R S T 0Valor eficaz de la tensin de salida:2 11 2V V= vd (t )d (t ) = ( 2VS sen(t )) d (t ) = 2 S 2 220 2 0 2 1 cos(2 x) sen ( x) =2 Valor eficaz de la intensidad de salida: 2 1 2 v (t ) 2 1 2V sen(t ) 2VS I=2 d R d (t ) = 2 S R 0 d (t ) = 2R0 3 4. 2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos de media onda (Carga resistiva)Potencia de continua en la carga:Potencia aparente a la salida del rectificador:221 2VS V 2 1 2VS 2V Pd = Vd I d = d = S d = VI == RR R R 2 Rendimiento: Factor de Forma: 2 P 2 V = d = = 40,5% FF = = = 1.57 = 157% Sd Vd 2Factor de rizado: 2RF =(FF 2 ) 1 = 1 =1.21 = 121%2Factor de utilizacin del transformador:2 1 2VS PdR = 2 2 = 28.7%TUF ==Vs I s2VS2 Vs2R2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos de media onda (Carga resistiva-Inductiva)En la mayora de los casos las cargas industriales contienen, adems de la carga resistiva,una componente inductiva (en ocasiones es tan elevada que convierte la carga en una fuentede corriente cte.)vs = 2Vs sen( wt ) 4 5. 2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos de media onda (Carga resistiva-Inductiva)Cuando el diodo est en ON:di vs = v R + v L = L+ RidtResolviendo la ecuacin diferencial se obtiene que la intensidad es suma de la solucin de laecuacin homognea (transitorio) y de la ecuacin particular (respuesta permanente).R 2VS t2VSid = sen( )e L + sen( wt ) ZZZ = R 2 + (wL )wL2 = arctg ()REsta ecuacin sera completa sino hubiera diodo rectificador, la inclusin de este diododetermina intervalos de no conduccin tambin.Para entender el funcionamiento del circuito se van a estudiar los distintos tramos de lafigura que se muestra en la transparencia anterior.2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos de media onda (Carga resistiva-Inductiva)Hasta 0 v R v L = vS v R > 0vL = L >0t1 0t3 0 1 D3 = D4 = OFF D = D2 = OFFvS (t ) < 0 1 D3 = D4 = ON2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos en puenteFormas de ondaValor medio de la tensin de salida: T2 111 2 2VSVd = vd (t )dt = 2 T 0 vd (t )d (t ) = 202 0 2VS sen(t )d (t ) = = 0.9VS 10 11. 2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos en puente, carga inductivaEn una carga fuertemente inductiva, la corriente en la carga se mantiene constante,mientras que idealmente (LS=0) la corriente de entrada es cuadrada. vs = 2Vs sen( wt ) 2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos en puente, carga inductivaEl desarrollo en serie de Fourier de la corriente de entrada (Funcin impar y simetra demedia onda).ah = 0 /2 /2bh = 4Isen(ht )d (t ) = 4 Id1[ cos(ht )] = 4 I d para h = 1,3,5,7,... hd0h 0 4I d 1 I S1 = 2= 0.9 I dValor eficaz de cada armonico : I Sh = I S 1 para 1,3,5,7,... h 11 12. 2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos en puente, carga inductivaEl factor de distorsin (THD) armnica para la corriente por la fuente iS(t): 4 Id 4 Id 4 Id iS (t ) =sen( wt ) +sen(3wt ) +sen(5wt ) + ... 3 52I S I S1 Id222IS THD = = 2 1 = 0.9 I 1 = 0.4843 = 48.43% I S1 I S1 d Potencia media consumida en la carga:4 Id2 2Forma AC (1er armnico) P = VS I S 1 cos(1 ) = VS 1 = VS I d 22 2Forma DC P = Vd I d = VS I dEl factor de potencia es:P VS I S 1 cos(1 ) PF = = = 0.9SVS I S2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos en puente, efectos de la inductancia de fuente (LS)Se limita el salto brusco de corriente por la fuente. 12 13. 2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos en puente, efectos de la inductancia de fuente (LS)Ejemplo de conmutacin de D3,D4 ON a D1,D2 ON: wt = 0 is = I diD1 = iu = iD 2 wt = u is = I d iD 3 = I d iu = iD 4 Durante la conmutacin todos los diodos en conduccinvd=0, VL=VS Nodo A I d iu + is = iu is = I d + 2iu diS diSvL = L = wL= 2VS sen( wt ) dt d ( wt )uId u 2VS sen( wt )d ( wt ) = wL diS2VS [ cos( wt )] = 2 wLI d0Id 0u2 wLI d 1 2wLId cos(u ) = 1 Vd = 0.9VS 2VS sen( wt )d ( wt ) = 0.9VS 2VS0 2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos en puente, Vd=cte.13 14. 2 Rectificadores monofsicos de media onda y onda completaRectificadores monofsicos en puente, filtro de salida3 Rectificadores trifsicos de media onda y onda completaRectificador trifsico de media ondaEn la siguiente figura se representa el circuito correspondiente a un rectificador trifsicode media onda con conexin en estrella y con carga fuertemente inductiva id=Id=cte. 5 9666En todo instante el diodo que conducir es aquel que en su fase haya una tensin mayor. 14 15. 3 Rectificadores trifsicos de media onda y onda completa Rectificador trifsico de media ondaEl valor medio de la tensin en la carga ser: 55T 61 11 6Vd = vd (t )dt = vd (t )d (t ) = 2VS sen(t )d (t ) =T 022 36 3 63 2VS 5 3 2VS 3 3 3 2 3VS = cos cos = = 1.16VS 2 6 6 2 2 2 2 Id La intensidad media que circula por cada fase:IF =3 Clculo del factor de potencia: P( DC ) P = d d ( potencia por fase )P V I PF = S = VS I SS3 5 3 2 3 VS I d 1 6 2PF = 3 2 Id 3 2 IS =2 I d d ( wt ) =3 Id= 2 = 0.675VS633 Rectificadores trifsicos de media onda y onda completa Rectificador trifsico de puente completovd = vab = 2VLL cos(t ) < wt < 6 615 16. 3 Rectificadores trifsicos de media onda y onda completaRectificador trifsico de puente completoEn todo instante conducirn una pareja de diodos, un diodo de la rama superior y un diodode la rama inferior.Rama superior Conduce aquel que presente la tensin ms grande en el nodo.Rama inferiorConduce el que tenga la tensin ms pequea en el ctodo.La tensin de salida es siempre la diferencia de tensiones entre dos fases Tensin delnea (VLL).El valor medio de la tensin de salida: T 1 661Vd = vd (t )dt =[v (t ) vb (t )]d (t ) = 3 a 2VLL cos(t )d (t ) =T 0 3 6 63 2VLL 3 2VLLsen sen == 1.35VLL 6 6 El valor medio de la corriente por la fase IF=0.3 Rectificadores trifsicos de media onda y onda completaRectificador trifsico de puente completoClculo del factor de potencia, fijndonos en una de las tensiones de fase: P( DC ) P = d d ( potencia por fase )P V I PF =S = VS I SS 3 1.35 3VS I d1 23 IS = I d d (wt ) = 3 I d PF =3 = = 0.955 2 2 3VS Id 3Buen VLL = 3VSaprovechamientode la energa16 17. 3 Rectificadores trifsicos de media onda y onda compl