ac–dc Converters

The basic function of a phase-controlled converter is to convert an alternating voltage of variable amplitude and frequency to a variable dc voltage. The power devices used for this application are generally SCRs. The average value of the output voltage is controlled by varying the conduction time of the SCRs. The turn-on of the SCR is achieved by providing a gate pulse when it is forward-biased. The turn-off is achieved by the commutation of current from one device to another at the instant the incoming ac voltage has a higher instantaneous potential than that of the outgoing wave. Thus there is a natural tendency for current to be commutated from the outgoing to the incoming SCR, without the aid of any external commutation circuitry.

This commutation process is often referred to as natural commutation.

La función básica de un convertidor controlado por fase es convertir una tensión alterna de amplitud y frecuencia variables a una tensión de corriente continua (CC) variable. Los dispositivos de energía utilizados para esta aplicación son generalmente rectificadores controlados de silicio (en inglés SCR : Silicon Controlled Rectifier). El valor promedio de la tensión de salida se controla variando el tiempo de conducción de los SCR. El encendido del SCR se logra al proporcionar un impulso de puerta cuando está polarizado en forma directa. El apagado se logra mediante la conmutación de la corriente de un dispositivo a otro en el instante en que la tensión de CA de entrada tiene un potencial instantáneo más alto que el de la onda de salida. Por lo tanto, existe una tendencia natural a que la corriente se conmute desde el SCR saliente al SCR entrante, sin la ayuda de ningún circuito externo de conmutación.

Este proceso de conmutación a menudo se denomina conmutación natural.

A single-phase half-wave converter is shown in next figure1. When the SCR is turned on at an angle a, full supply voltage (neglecting the SCR drop) is applied to the load. For a purely resistive load, during the positive half cycle, the output voltage waveform follows the input ac voltage waveform. During the negative half cycle, the SCR is turned off. In the case of inductive load, the energy stored in the inductance causes the current to flow in the load circuit even after the reversal of the supply voltage, as shown in Figure 1(b). If there is no freewheeling diode DF, the load current is discontinuous. A freewheeling diode is connected across the load to turn off the SCR as soon as the input voltage polarity reverses, as shown in Figure 9.11(c). When the SCR is off, the load current will freewheel through the diode. The power flows from the input to the load only when the SCR is conducting. If there is no freewheeling diode, during the negative portion of the supply voltage, SCR returns the energy stored in the load inductance to the supply. The freewheeling diode improves the input power factor.

The controlled full-wave dc output may be obtained by using either a center tap transformer (Figure 2) or by bridge configuration (Figure 3). The bridge configuration is often used when a transformer is undesirable and the magnitude of the supply voltage properly meets the load voltage requirements. The average output voltage of a single-phase full-wave converter for continuous current conduction is given by

En la figura 1 siguiente se muestra un convertidor de media onda monofásico. Cuando el SCR se enciende en un ángulo α, se aplica a la carga la tensión de alimentación total (despreciando la caída en el SCR). Para una carga puramente resistiva, durante el semiciclo positivo, la forma de onda del voltaje de salida sigue la forma de onda del voltaje de CA de entrada. Durante el semiciclo negativo, el SCR se apaga. En el caso de una carga inductiva, la energía almacenada en la inductancia hace que la corriente fluya en el circuito de carga incluso después de la inversión de la tensión de alimentación, como se muestra en la Figura 1 (b). Si no hay un diodo de retorno DF, la corriente de carga es discontinua. Un diodo de retorno está conectado a través de la carga para apagar el SCR tan pronto como la polaridad del voltaje de entrada se invierta, como se muestra en la Figura 1 (c). Cuando el SCR está apagado, la corriente de carga circulará libremente a través del diodo. La energía fluye desde la entrada a la carga solo cuando el SCR está conduciendo. Si no hay diodo de retorno, durante la parte negativa de la tensión de alimentación, el SCR devuelve la energía almacenada en la inductancia de carga a la fuente. El diodo de retorno mejora el factor de potencia de entrada. Resumiendo, un diodo de retorno es un diodo conectado a través de un inductor que se utiliza para eliminar el retorno, que es el pico repentino de voltaje que se produce a través de una carga inductiva cuando la corriente de suministro se reduce o interrumpe repentinamente.

La salida de CC de onda completa controlada puede obtenerse utilizando un transformador de toma central (Figura 2) o mediante la configuración de puente (Figura 3). La configuración de puente se usa a menudo cuando no es deseable un transformador y la magnitud de la tensión de alimentación cumple adecuadamente los requisitos de tensión de carga. El voltaje de salida promedio de un convertidor monofásico de onda completa para conducción de corriente continua viene dado por

where E_m is the peak value of the input voltage and a is the firing angle. The output voltage of a single-phase bridge circuit is the same as that shown in Figure 2. Various configurations of the single-phase bridge circuit can be obtained if, instead of four SCRs, two diodes and two SCRs are used, with or without freewheeling diodes.

A three-phase full-wave converter consisting of six thyristor switches is shown in Figure 4(a). This is the most commonly used three-phase bridge configuration. Thyristors T1, T3, and T5 are turned on during the positive half cycle of the voltages of the phases to which they are connected, and thyristors T2, T4, and T6 are turned on during the negative half cycle of the phase voltages.

donde Em es el valor máximo del voltaje de entrada y α es el ángulo de disparo. El voltaje de salida de un circuito puente monofásico es el mismo que el que se muestra en la Figura 2. Se pueden obtener varias configuraciones del circuito puente monofásico si, en lugar de cuatro SCR, se usan dos diodos y dos SCR, con o sin diodos de retorno.

En la Figura 3 (a) se muestra un convertidor de onda completa trifásico que consta de seis tiristores conmutadores. Esta es la configuración de puente trifásico más utilizada. Los tiristores T1, T3 y T5 se encienden durante el semiciclo positivo de los voltajes de las fases a las que están conectados, y los tiristores T2, T4 y T6 se encienden durante el semiciclo negativo de los voltajes de fase.

La referencia para el ángulo en cada ciclo se encuentra en los puntos de cruce de las tensiones de fase. El voltaje de salida, la corriente de salida y las formas de onda de corriente de entrada ideales se muestran en la Figura 4 (b). La tensión de salida de CC se controla variando el ángulo de disparo α. La tensión de salida promedio en la operación de conducción de corriente continua está dada por

where E_m is the peak value of the phase voltage. At α = 90°, the output voltage is zero. For 0 < α < 90° , v_o is positive and power flows from alternatin current supply to the load. For 90° < α < 180°, vo is negative and the converter operates in the inversion mode. If the load is a dc motor, the power can be transferred from the motor to the ac supply, a process known as regeneration.

In Figure 4(a), the top or bottom thyristors could be replaced by diodes. The resulting topology is called a thyristor semiconverter. With this configuration, the input power factor is improved, but the regeneration is not possible.

donde E_m es el valor máximo de la tensión de fase. En α = 90°, la tensión de salida es cero. Para 0 <α < 90°, v_o es positivo y la energía fluye desde el suministro de corriente alterna a la carga. Para 90° < α <180°, vo es negativo y el convertidor funciona en el modo de inversión. Si la carga es un motor de corriente continua, la potencia se puede transferir desde el motor a la alimentación de corriente alterna, un proceso conocido como regeneración.

En la figura 4(a), los tiristores superiores o inferiores podrían reemplazarse por diodos. La topología resultante se llama semiconvertidor de tiristores. Con esta configuración, el factor de potencia de entrada se mejora, pero la regeneración no es posible.