Se comenzará con el rectificador de diodos ya que sirve de apoyo para entender cómo se efectúa el control sobre los siguientes convertidores.

En la figura 1 se observa el rectificador a analizar, el cual está conformado por seis diodos; el principio de funcionamiento se explica a continuación. Cuando la primera fuente presenta un valor mayor (Vab por ejemplo), el diodo D1 se activa y conduce a través de la carga, regresando por el diodo D6, una vez que la siguiente fase de la fuente (Vac) presenta un valor mayor el diodo D6 salen de operación y se activa D2, en el siguiente (Vbc) sale D1 y entra D3, después (Vba) sale D2 y entra D4, esto sucede sucesivamente para las 3 fases.

En la figura 2 cada diodo se mantiene activo por 60°, además de que las transiciones se realizan en orden intercalado, es decir, uno por la parte negativa y el siguiente por la positiva.

Fuente: Rashid, M. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª ed.). México: Pearson Educación

Es necesario recordar la secuencia de los voltajes para entender cuál será el diodo por donde entra la corriente y cuál es por el que sale. Como se observa, el voltaje que recibe la carga es línea a línea, por lo que la amplitud que recibe la carga se observa en amarillo en la gráfica de arriba.

Para mayor comodidad y facilidad, las gráficas del voltaje sobre la carga se pueden definir como la gráfica que aparece en la figura 3, sólo es importante recalcar que este voltaje tendrá una frecuencia seis veces la frecuencia de la fuente, que como se ha comentado, es de suma importancia al momento de obtener la impedancia de la carga.

Ahora bien, si se cambian los diodos del circuito anterior por tiristores, se observa que para determinado ángulo de fase, el voltaje que se va a mantener antes de que se active el siguiente tiristor es el que estaba siendo proporcionado por el anterior. Este efecto está representado en la gráfica de la figura 4.

Las ecuaciones que definen el voltaje de la carga se muestra a continuación.

Donde el ángulo α se inicia en el momento en que el elemento se activa. Estas fórmulas pueden ser aplicadas en el caso del puente de diodos si utilizas un ángulo de cero. Se observa en la figura de la izquierda (que representa el voltaje proporcionado por la fuente), que si se pasa de cierto ángulo (60° para ser exacto), el voltaje que se tenía activo llegará a cero y por lo tanto se comportará dependiendo del tipo de carga que se tenga.

Una carga resistiva mantendría un voltaje cero hasta que el siguiente tiristor se active, mientras que una carga inductiva mantiene el voltaje negativo hasta que se descargue completamente o se active el siguiente tiristor. De igual manera, en los casos mayores a 60° es necesario desarrollar la ecuación de los valores de voltaje y posteriormente continuar con el procedimiento normal.

El 6 se refiere a que ese segmento se repite 6 veces en un ciclo (2π).

Utilizando como ejemplo el rectificador trifásico ya mostrado, se tiene un voltaje de línea a línea de 208 [V] y una carga con R=10 [Ω], L=1.5 [H] y E=0 [V], alimentando con α=π/3 [Rad].

Los valores de voltaje se obtienen con las ecuaciones previamente indicadas.

Antes de obtener la corriente es necesario definir el valor de la impedancia, por lo que al obtener la frecuencia angular, se observa la frecuencia que tiene la carga y resulta:

Dando una impedancia de:

Las componentes de la corriente de salida:

Teniendo como valor efectivo de la corriente:

Por lo que la corriente en cada tiristor sería:

En las últimas dos ecuaciones se divide entre tres porque la corriente pasa por un par en cada ciclo. Como se observa, la componente de la corriente de alterna es aproximadamente el 7% de la componente de directa, si se quisiera tener un rizo despreciable (generalmente del 5%), se tendría que aumentar el valor de la inductancia, el método común es partir desde el valor de la corriente deseada y así encontrar el valor necesario en la inductancia.

De nueva cuenta es posible evitar los valores de voltaje negativo utilizando un diodo en paralelo con la carga, de manera que la corriente que se mantiene circule entre este y la carga, logrando que el voltaje se comporte como una carga resistiva. Hay que tomar en cuenta la corriente que estaría circulando por el diodo para determinar los rangos que debe soportar el componente, por esto es necesario definir las fracciones de conducción de cada elemento.

Mientras que para el diodo se tendría:

El dos y seis de cada ecuación indica el número de veces que se repite el intervalo en cada ciclo, te invito a obtener el desarrollo de estas ecuaciones.

Sabiendo que en un rectificador trifásico controlado se pueden tener voltajes no deseados debido a la naturaleza de las cargas (como en el caso inductivo), se tienen opciones que permiten evitar estos inconvenientes.

Una de ellas es intercambiar los tiristores T2, T4 y T6 por diodos, como se observa en la figura 6, de manera que sólo los de arriba conducirían por el ángulo de fase y los diodos por conducción natural. De esta manera, la corriente que hubiera circulado por el diodo de rueda libre en un rectificador de onda completa ahora lo hace por un diodo y el tiristor que quedó activo.

Dado que ahora solamente se tendrá control sobre la mitad de los elementos, en el voltaje presente en la carga se observará que los voltajes se comportan como puente de diodos y puente de tiristores, es decir, en un segmento se controla y en el siguiente se conmuta de manera natural cuando el anterior termina de conducir. Esta descripción se observa en la figura 7 con el voltaje de la fuente y cómo va entrando al convertidor.

Es conveniente recordar que este voltaje representa el que se recibe de la fuente y cómo lo va tomando el convertidor, mas no el que se entrega a la carga. Esto se muestra en la figura 8, donde se muestra la forma de onda del voltaje en la carga para determinado ángulo de disparo.

Las fracciones de conducción de cada elemento se vuelven diferentes ya que la corriente que va a circular será la que proporciona la fuente y la que mantuvo la inductancia.

Si se tienen problemas para visualizar estos cambios de conducción es recomendable hacer gráficas donde se observa cómo se modifican los elementos conforme se cambia de fase.

Existen otros tipos de técnicas de control en convertidores de CA-CD, sin embargo, es más común encontrar los rectificadores trifásicos de onda completa no controlados, rectificadores trifásicos de onda completa semicontrolados y los rectificadores trifásicos de onda completa.

En las situaciones industriales modernas, hay muchas aplicaciones que requieren que el operador sea capaz de intervenir en el control de la velocidad del motor, tal control se logra mediante tiristores.

Revisa a continuación el Checkpoint: