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INTRODUCCION

La energía eléctrica comúnmente se distribuye en forma de tensión

alterna, ya que ofrece grandes ventajas en su transporte y distribución sin

embargo, los equipos electrónicos generalmente funcionan con una

tensión continua. (Wiley, 2001)

La conversión CA/CC es realizada por convertidores estáticos de energía,

comúnmente denominados rectificadores. Por tanto, un rectificador es un

sistema electrónico de potencia cuya función es convertir una tensión

alterna en una tensión continua. (Pomilio, 1995)

Ilustración 1: Uso de los rectificadores en la vida cotidiana (Gutierrez, 2005)

Es importante mencionar al suministro de poder que es un dispositivo que

convierte el rendimiento de una línea de poder de AC a un rendimiento del

dc firme o múltiplo.

El voltaje en AC primero es rectificado para proporcionar pulsos en DC y

después es filtrado para producir un voltaje continuo. Finalmente el voltaje

es regulado para producir una salida con un nivel contante a pesar de las

variaciones en la línea de AC o en el circuito que proporciona el voltaje

alterno. (Rashid, 2007)

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Ilustración 2:Muestra el proceso, filtro y regulación de AC a DC (Rashid, 2007)

Podemos clasificar los rectificadores como (Universidad Carlos III de

Madrid, 2003):

Según el número de fases:

Monofásicos

Trifásicos

N – fásicos

En función del dispositivo

No controlados.

Semicontrolados

Totalmente controlados.

Dependiendo del aprovechamiento de la senoide.

Media onda.

Onda completa.

En función de la controlabilidad del sistema 4. en función de la

controlabilidad del sistema.

No controlados.

Semicontrolados.

Totalmente controlados.

En una primera clasificación, podemos diferenciar los rectificadores de

acuerdo con el número de fases de la tensión alterna de entrada

(monofásico, bifásico, trifásico, hexafásico, etc.). Dentro de estos,

podemos diferenciar los rectificadores en función del tipo de conexión de

los elementos (media onda y de onda completa). Otra posible clasificación

es según su capacidad de ajustar el valor de la tensión de salida, ello

depende de si se emplean diodos o tiristores. (Hart, 2006)

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Los rectificadores no controlados son aquellos que utilizan diodos como

elementos de rectificación, en cuanto que los controlados utilizan

tiristores o transistores. (Mohan, 2008)

Ilustración 3: Situación dentro de la electrónica de potencia (Universidad Carlos III de Madrid,

2003)

De acuerdo a la clasificación de (Gutierrez, 2005), nos indica que aparte

de que existen rectificadores de onda monofásicos y trifásicos, también se

pueden clasificar como controlados y no controlados, los no controlados

son aquellos donde la tensión de salida depende de la carga y los

controlados es donde es posible regular la tensión de salida.

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RECTIFICADORES NO CONTROLADOS

Como lo menciona (Gutierrez, 2005), los rectificadores no controlados son

aquellos donde la tensión de salida depende de la carga, agregando que

son los que utilizan diodos como elementos de rectificación. (Mohan,

2008)

A la hora de llevar a cabo la rectificación, se han de utilizar elementos

electrónicos que permitan el paso de la corriente en un sentido,

permaneciendo bloqueado cuando se le aplique una tensión de polaridad

inapropiada. Para ello, en los rectificadores no controlados, como ya se ha

comentado, el componente más adecuado y utilizado es el diodo

semiconductor. (Wiley, 2001)

Como sabemos el diodo es un dispositivo semiconductor de dos

terminales, ánodo y cátodo, 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. Es por eso que el diodo es un componente

adecuado para ser utilizado, solo o con otros diodos, como rectificador.

(Mohan, 2008)

En estado de bloqueo, la corriente que circula por un diodo recibe el

nombre de corriente de fugas y es prácticamente nula. También se ha de

tener en cuenta, además de la tensión directa (en conducción) VF, la

tensión inversa que soporta el diodo VR. (Mohan, 2008)

Rectificador monofásico de media onda

Es el rectificador más sencillo que existe, y en consecuencia el más

barato. Únicamente es necesario un diodo entre la alimentación de alterna

y la carga. (Pomilio, 1995)

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Ilustración 4: Rectificador monofásico de media onda (medio puente) con carga resistiva (Hart,

2006)

El circuito anterior sólo rectifica la mitad de la tensión de entrada; o sea,

cuando el ánodo es positivo con respecto al cátodo. Podemos considerarlo

como un circuito en el que la unidad rectificadora está en serie con la

tensión de entrada y la carga. Si modelamos la carga por una resistencia,

el análisis es muy sencillo. (Hart, 2006)

Un diodo es un dispositivo conformado por la unión de dos

semiconductores, uno p y otro n, llamada unión pn. Es un dispositivo

electrónico de dos terminales cuya respuesta tensión-corriente es no

lineal. (Lascano, 2008)

Ilustración 5: Izquierda, Representación y construcción de un diodo, a la derecha, la curva tensión

corriente de un diodo (Lascano, 2008)

Hay que destacar que en la curva característica de un diodo real, una

pequeña corriente circula en polarización inversa. Esta corriente es

denominada corriente de fuga y es principalmente causada por las

impurezas (no buscadas) en el material. También puede notarse la región

de ruptura, que corresponde a la tensión máxima con la que se puede

polarizar en inversa el diodo, generalmente del orden de 50V. (Lascano,

2008)

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Ilustración 6: Curva tensión corriente de un diodo real (Lascano, 2008)

El diodo conducirá si la tensión de entrada Vs es positiva. Si la tensión de

entrada es negativa, el diodo no puede conducir dado que ve una tensión

ánodo cátodo negativa. La carga ve una tensión nula entre sus bornes,

dado que no hay circulación de corriente. (Mohan, 2008)

Ilustración 7: Formas de onda (carga resistiva) del rectificador monofásico no controlado, media

onda (Lascano, 2008)

Según sea la amplitud de la tensión de alimentación, tendremos un

determinado nivel de tensión continua a la salida, características de la

onda:

vo=Vmax sin (ωt )0≤ωt ≤π

vo=0π ≤ωt ≤2 π

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La tensión media en la carga es:

Por lo cual tendremos una componente continua del orden del 30% del

valor de pico.

Tensión eficaz en la carga:

Cuando tenemos una carga resistiva las formas de onda de tensión y de

corriente en la salida del rectificador están en fase a la salida.

Valor medio de la corriente en la carga:

Valor eficaz de la corriente en la carga:

Sabiendo que:

Los valores de Iodc e Imax deberán tenerse en cuenta a la hora de elegir

un diodo semiconductor para el rectificador. Aquí RLrepresenta la

resistencia de la carga, no confundirla con el valor de algún inductor.

También es necesario tomar en cuenta las siguientes características para

realizar un diseño más eficiente al momento de armar un rectificador de

media onda.

Potencia media en la carga:

Potencia eficaz en la carga:

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Rendimiento:

Si al circuito básico le agregamos un capacitor (C) y una resistencia de

carga (Rc), se puede obtener un circuito transformador de señal alterna en

señal continua. (Ricci, 2008)

Ilustración 8: Circuito rectificador de media onda con diodo y capacitor (Ricci, 2008)

La idea básica del funcionamiento del circuito anterior es la siguiente:

cuando la señal corresponde al semiciclo positivo de la tensión de la

fuente, alimenta la resistencia de carga y además se carga el capacitor.

En el semiciclo negativo, el diodo no permite el flujo de corriente y por

consiguiente la resistencia es alimentada por el capacitor que comienza su

ciclo de descarga hasta que el semiciclo positivo vuelve. (Ricci, 2008)

En principio la transformación de tensión alterna en continua dependerá

fuerte- mente de la elección de los valores del capacitor y las resistencias

del circuito. En un circuito RC el tiempo característico de carga y descarga

está dado por el producto RC. En este caso, el proceso de carga depende

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de la resistencia limitadora (R), mientras que el proceso de descarga

depende de la resistencia de carga (Rc). (Ricci, 2008)

Entonces, analizando sólo la descarga, y variando los parámetros de la

constante τ , que es igual a Rc*C, podemos realizar el siguiente análisis,

tomando en cuenta las características del capacitor:

Caso 1: RcC <<Ts el capacitor se descarga completamente

Caso 2: RcC ∼ Ts el capacitor se descarga parcialmente

Caso 3: RcC>> Ts el capacitor apenas se descarga.

Ilustración 9: Circuito rectificador de media onda con diferentes valores de capacitores. (Ricci,

2008)

Rectificador con transformador de toma media

En este caso, para rectificar la onda completa, se utilizan 2 diodos, en una

configuración denominada rectificador con transformador en toma media.

El transformador con toma media será el encargado de proporcionarnos

dos tensiones (vS1 y vS2), de igual magnitud y con un desfase entre ellas

de 180º. (Pomilio, 1995)

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Ilustración 10: Rectificador monofásico de toma media y carga resistiva. (Pomilio, 1995)

Ilustración 11: Formas de onda del rectificador monofásico no controlado, onda completa. (Pomilio,

1995)

Características de éste tipo de conexión, es evidente que la eficiencia de

éste tipo de circuito es más elevada ya que aprovecha mejor la frecuencia.

Tensión media en la carga:

Tensión eficaz en la carga:

Corriente en los diodos

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Potencia aparente en el secundario:

Potencia media en la carga:

Potencia eficaz en la carga:

Rendimiento:

El rendimiento de este tipo de transformador es el doble del monofásico

de media onda, lo cual, unido a la duplicación de la intensidad media, y a

la notable reducción del rizado, implica una clara mejora. (Mohan, 2008)

Cabe destacar que si consideramos que el rectificador está conectado a la

red eléctrica doméstica de 60 Hz, la tensión de salida del rectificador en

onda completa presenta un rizado de 120Hz, frente a los 60Hz que

aparecen en un rectificador de media onda. (Mohan, 2008)

En electrónica de potencia, estos rectificadores se suelen utilizar

frecuentemente en etapas donde la frecuencia de entrada es elevada,

puesto que en éste caso se consigue reducir el tamaño del transformador.

(Pomilio, 1995)

Si hubiera que destacar un inconveniente en la topología del rectificador

con transformador en toma media, éste sería el hecho de que los diodos

deben soportar una tensión inversa doble al que soportaban para el

rectificador de media onda. (Pomilio, 1995)

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Rectificador en puente

Para rectificar la onda completa, se utilizan 4 diodos, en una

configuración denominada puente completo o puente de Graetz. Recibe el

nombre de puente rectificador, por estar formado por cuatro diodos

conectados en puente y su principal ventaja respecto al rectificador de

onda completa con toma media es que no necesita transformador.

(Mohan, 2008)

Ilustración 12: Puente rectificador monofásico no controlado de onda completa.

Conducen siempre dos diodos simultáneamente. Si la tensión en la

entrada del rectificador es positiva (semiciclo positivo), conducirán D1 y

D4 mientras que D2 y D3 estarán polarizados inversamente y, por tanto,

estarán bloqueados (OFF). Si por el contrario, la tensión es negativa

(semiciclo negativo), conducirán D2 y D4. (Mohan, 2008)

En general, para saber qué diodo puede conducir hay que analizar cuál de

los cuatro tiene mayor tensión en su ánodo y cuál de ellos tiene menos

tensión en su cátodo. Los parámetros característicos son iguales que para

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el rectificador con transformador de toma media, excepto la máxima

tensión inversa que soporta cada diodo, que en este caso será Vmax.

(Mohan, 2008)

Ilustración 13: formas de onda del rectificador en puente completo con carga resistiva. (Mohan,

2008)

A continuación se muestran las diferentes curvas que corresponden a

cada tipo de rectificador (Universidad Carlos III de Madrid, 2003):

Rectificador de media onda con carga R

Ilustración 14: Rectificador de media onda con carga R (Universidad Carlos III de Madrid, 2003)

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Ilustración 15: Gráfica de rectificador de media onda con carga resistiva (Universidad Carlos III de

Madrid, 2003)

Características de curva criterios de (http://electronicos.com, 2008):

Ilustración 16: Rectificador de media onda con carga resistiva (http://electronicos.com, 2008)

El cual va tener una tensión media en la carga:

La tensión eficaz en la carga:

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Rectificador de media onda carga RL

Ilustración 17: Rectificador de media onda carga RL

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Ilustración 18: Gráfica de rectificador de media onda con carga resistiva inductiva (Universidad

Carlos III de Madrid, 2003)

Ángulo de extinción de la corriente β: instante en que se produce el

apagado del diodo.

Expresión de la corriente por la carga:

i (t )=U g

Zsin (ωt−φ )+

U g

Zsin (φ ) e

−tRL

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Ilustración 19: Formas de onda en un rectificador con carga resistiva inductiva

(http://electronicos.com, 2008)

Cuyas características son:

Circuito Rectificador de Onda Completa

Consiste en 4 diodos colocados de manera tal que cuando la fuente est´a

su semiciclo positivo la corriente fluye por los diodos 1 y 2, mientras que

cuando la fuente está en inversa lo hace por los diodos 3 y 4. (Ricci, 2008)

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Ilustración 20: Rectificador de onda completa (Ricci, 2008)

Se observa que se obtienen semiciclos positivos de tensión sobre la

resistencia tanto cuando la fuente está en su semiciclos positivos o

negativos. En la ilustración es posible observar que la base de estos

semiciclos es aproximadamente una constante. Esto es debido a que los

dos diodos conducen corriente cuando la tensión de la fuente supera la

tensión umbral en serie de éstos, que es aproximadamente 1,5V.

Rectificador de onda completa con carga R

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Ilustración 21: Rectificador de Onda completa con carga R (Universidad Carlos III de Madrid, 2003)

Ilustración 22: Ilustración 23: Gráfica de rectificador de onda completa con carga resistiva

(Universidad Carlos III de Madrid, 2003)

Rectificador de onda completa con carga R

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Ilustración 24: Rectificador de onda completa con carga R (Universidad Carlos III de Madrid, 2003)

Ilustración 25: Gráfica del Rectificador de onda completa con carga R (Universidad Carlos III de

Madrid, 2003)

Rectificador de onda completa con carga RL

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Ilustración 26: Rectificador de onda completa con carga RL (Universidad Carlos III de Madrid, 2003)

Ilustración 27: Gráfica del Rectificador de onda completa con carga RL (Universidad Carlos III de

Madrid, 2003)

Rectificadores trifásicos de media onda

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Un rectificador trifásico tiene ventajas sobre los rectificadores

monofásicos, debido a que tiene la capacidad de suministrar gran cantidad

de energía en poco tiempo. (Universidad Carlos III de Madrid, 2003).

Al igual que los rectificadores monofásicos, se tienen rectificadores

trifásicos de media onda y de onda completa, donde por cierto son más

eficientes los de onda completa debido a que dobletean la frecuencia y el

riso de voltaje es mucho menor y disminuye todavía más con la inserción

de un capacitor en el circuito. (Wiley, 2001)

Ilustración 28: Rectificador trifásico de media onda (Wiley, 2001)

El proceso de rectificación, es un análisis similar al de un sistema

monofásico, se diferencia en que un sistema trifásico tenemos un desfase

en voltajes de 120º, lo cual nos da en un mismo instante diferentes

voltajes para cada diodo ya que alguno no está en estado de conducción

máxima cuando otro está en su valor 0 y otro anda en valores

intermedios. (Wiley, 2001)

Ilustración 29: Estado de cada diodo de cada diodo en cada instante (Wiley, 2001)

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El valor del voltaje por cada fase será:

V R (t )=V msin (ωt )

V S ( t )=V m sin(ωt−120)

V T (t )=V m sin(ωt+120)

Ilustración 30: Estado de conducción de cada diodo. (Wiley, 2001)

Los pará metros característicos dados por (Wiley, 2001) son los siguientes:

Valor medio:

Valor eficaz:

Factor de forma:

Factor de rizado

Rectificadores trifásicos de doble onda

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En este tipo de rectificadores, se utilizan mínimo 6 diodos ya que estamos

rectificando la onda dos veces por cada periodo, Por lo tanto tendremos

una mayor tensión de salida y un rizado menor en la tensión de salida.

(Wiley, 2001)

Ilustración 31: Rectificador de onda completa (Wiley, 2001)

Las corrientes y tensiones en los diodos serán los siguientes:

V RS (t )=V m√3sin(ωt+30)

V ST ( t )=V m√3sin(ωt−90)

V RT (t )=V m√3sin(ωt+90)

Por lo cual tendremos los siguientes voltajes:

Ilustración 32: Diagrama fasorial para los voltajes del sistema (Wiley, 2001)

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Sin embargo a la salida del rectificador tendremos un mayor flujo de

potencia ya que la corrección de tres ondas por el doble de la frecuencia

en cada uno de ellos dará una mayor tensión y menor rizado a la salida del

rectificador.

Ilustración 33: Estado de Conducción de los diodos en un sistema de corrección trifásico de onda

completa (Wiley, 2001)

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Rectificador trifásico de onda completa no controlado con carga

resistiva

De forma análoga a los casos anteriores, se puede implementar un

rectificador trifásico utilizando diodos.

Los rectificadores trifásicos se utilizan normalmente en la industria para

producir tensión y corriente continuas para grandes cargas. En la Figura

3.8 se muestra el rectificador trifásico en puente completo. El generador

trifásico de tensión está equilibrado y la secuencia de fases es a-b-c. En el

análisis inicial del circuito se supondrá que el generador y los diodos son

ideales. (Pomilio, 1995)

Ilustración 34: Rectificación trifásica en puente (Pomilio, 1995)

He aquí algunas observaciones básicas sobre el circuito, observaciones de

(Pomilio, 1995):

1. La ley de Kirchhoff para las tensiones aplicada al circuito muestra

que sólo puede conducir un diodo a la vez en la mitad superior del

puente (D1, D2 o D3). El diodo en estado de conducción tendrá su

ánodo conectado a la tensión de fase de mayor valor en ese

instante.

2. La ley de Kirchhoff para las tensiones también muestra que sólo

puede conducir un diodo a la vez en la mitad inferior del puente

(D4, D5 o D6). El diodo en estado de conducción tendrá su cátodo

conectado a la tensión de fase de menor valor en ese instante.

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3. D1 y D4 no podrán conducir al mismo tiempo como consecuencia

de las observaciones 1 y 2. De la misma manera, tampoco podrán

conducir simultáneamente D2 y D5, ni D3 y D6.

4. La tensión de salida en la carga es una de las tensiones de línea

del generador. Por ejemplo, cuando D1 y D5 conducen, la tensión de

salida es Vab (Van - Vbn). Además la tensión de línea de mayor

valor instantáneo determinará los diodos que estarán en conducción.

Por ejemplo, cuando el valor instantáneo mayor de la tensión de

línea sea VCA, la salida será VCA.

5. Existen seis combinaciones de tensiones de línea (tres fases

combinadas de dos en dos). Si consideramos que un período del

generador son 360º, la transición de la tensión de línea de mayor

valor deberá producirse cada 360º/6 = 60º. El circuito se denomina

rectificador de seis pulsos debido a las seis transiciones que se

producen en cada período de la tensión del generador.

6. La pulsación fundamental de la tensión de salida es 6ω, donde ω

es la pulsación del generador trifásico.

Ilustración 35: Tensión trifásica de entrada al rectificador (Pomilio, 1995)

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Otra manera de estudiar o analizar el rectificador trifásico es dividiéndolo

en dos partes según (Mohan, 2008):

• Rectificador tipo P: Sería la parte de circuito compuesta por los diodos

D1, D2 y D3, funcionando como un detector de máximo. En cualquier

instante permitirá conectar a la carga la mayor de las tensiones trifásicas.

• Rectificador tipo N: Estaría compuesto por los diodos D4, D5 y D6,

funcionando como un detector de mínimo. En cualquier instante permitirá

conectar a la carga la menor de las tensiones trifásicas.

Con la unión de ambas partes conseguimos que durante todo el tiempo se

conecte el mayor de las tres tensiones a uno de los terminales de la carga

y al otro terminal el menor de dichas tensiones.

En la ilustración 15 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, la tensión en

la carga puede considerarse como la suma de las tensiones de dos

rectificadores de media onda trifásicos, con relación al neutro “n”.

En la ilustración 16, para la tensión en la carga vemos seis pulsos con una

duración de π/3, provocando en cada período una secuencia de

conducción de los diodos tal que: D3D5; D5D1; D1D6; D6D2; D2D4; D4D3;

La secuencia de conducción se corresponde con las seis tensiones

senoidales por ciclo, y cuya diferencia de tensión es:

La tensión máxima será:

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Ilustración 36: Formas de onda del rectificador trifásico no controlado de onda completa. (Mohan,

2008)

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Ahora se analizarán las características de éste rectificador de onda según

el criterio de (Mohan, 2008):

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:

Otra manera de calcularlo:

Tensión eficaz en la carga:

Corriente media en la carga

La corriente de pico en los diodos es: , que se corresponde con la

corriente máxima de línea. Además cabe destacar que en los diodos

circula la intensidad que atraviesa la carga, durante T/3.

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Corriente eficaz en los diodos

Con el rectificador trifásico se obtiene un rizado de tensión menor a la

salida y se puede transferir más energía, si lo comparamos con el

rectificador monofásico.

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RECTIFICADORES CONTROLADOS

Los rectificadores no controlados están basados en diodos,

semiconductores sobre los cuales no tenemos ningún control ni de

encendido (puesta en conducción) ni de apagado (bloqueo). Si queremos

controlar la tensión de salida de un rectificador, es necesario utilizar

semiconductores de potencia que puedan ser controlados. (Mohan, 2008)

Lo más usual es utilizar dispositivos de la familia de los tiristores y por

tanto, se puede decir que los rectificadores controlados reciben este

nombre por que utilizan un dispositivo de control, en este caso el tiristor.

Se utilizan las mismas topologías que en el caso de los rectificadores no

controlados, pero sustituyendo los diodos por tiristores. (Pomilio, 1995)

La ventaja de utilizar tiristores viene dada por la capacidad de éstos de

retardar su puesta en conducción, sucediendo ésta cuando la tensión

ánodo-cátodo sea positiva y además reciba un pulso adecuado de tensión

y corriente en su puerta. Al retardar el ángulo de disparo es posible variar

la tensión rectificada de salida, de ahí el calificativo de “controlados”.

(Pomilio, 1995)

En los rectificadores controlados, por lo tanto, se controla la puesta en

conducción del tiristor y el bloqueo se realiza de forma natural cuando se

anula la corriente por el dispositivo. (Pomilio, 1995)

En estos circuitos es posible, regular el valor medio de la tensión de salida

variando el desfase entre el paso por cero de la tensión de red y el

disparo de los tiristores (ángulo de disparo, simbolizado por α). Existe,

por tanto, un circuito de control, que actuando sobre el instante de disparo

de los tiristores regula la conversión. (Mohan, 2008)

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Ilustración 37: Disgrama simplificado de un rectificador controlado (Mohan, 2008)

El circuito de control modifica el ángulo de disparo para mantener el valor

medio de la tensión de salida Usm en el valor de referencia Ref frente a

variaciones de la tensión de entrada o de la corriente tomada a la salida

del rectificador. (Mohan, 2008)

El análisis bajo condiciones de corriente constante en la salida permite

realizar el análisis de comportamiento en las aplicaciones más comunes

de estos circuitos: cargadores de baterías y variadores de velocidad para

motores de corriente continua. En estos circuitos se puede comprobar

que la tensión media de salida resulta proporcional a la de entrada y al

coseno del ángulo de disparo de los tiristores. (Mohan, 2008)

Siendo k una constante que depende del tipo de rectificador y a la

relación de transformación (tensión primaria/tensión secundaria) del

transformador. El ángulo de disparo resulta de la traducción a ángulo de

retardo al disparo, tomando como 2π el retardo correspondiente a un

periodo. (Mohan, 2008)

Para red de frecuencia f y periodo T se tiene:

Un tiristor de control de fase se activa aplicándole un pulso corto a

su compuerta y se desactiva debido a la conmutación natural o de

línea. Dicho pulso lo podemos controlar con el ángulo de disparo α desde

0 hasta 180º. (Hart, 2006)

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Al utilizar tiristores de control de fase en vez de diodos, podemos obtener

voltajes de salida controlados y los podemos usar en aplicaciones

industriales, especialmente en propulsores de velocidad variable,

cargadores de baterías y una clase de drives de motores a.c. y d.c. (Hart,

2006)

Principio de operación de un rectificador controlado:

El valor medio de la tensión aplicada a la carga, Vd, puede variar de un

valor máximo positivo a un valor máximo negativo, sin embargo la

corriente Id sólo puede tener sentido positivo. Por tanto, el convertidor

sólo puede actuar en el primer cuadrante como, en el que actúa como

rectificador, o en el cuarto cuadrante en el que actúa como inversor.

(Universitas Miguel Hernández, 2007)

Ilustración 38: Diagrama de bloques un rectificador controlado (Universitas Miguel Hernández,

2007)

Los rectificadores controlados reemplazan los diodos de un sistema

rectificador por tiristores con el fin de proporcionar control sobre la tensión

RMS en la carga del sistema y, en definitiva, de la potencia proporcionada

a ésta. (Mohan, 2008)

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Ilustración 39: Curva característica de un tiristor de potencia. (Mohan, 2008)

En el caso que se necesite trabajar en los cuatro cuadrantes (por ejemplo

en el caso de controlar un motor), se utilizaran dos convertidores de dos

cuadrantes conectados en antiparalelo. (Universitas Miguel Hernández,

2007)

Ilustración 40: Control de motor en antiparalelo (Universitas Miguel Hernández, 2007)

Estos convertidores de fase se clasifican en monofásicos y trifásicos,

dependiendo de la fuente de alimentación, y se pueden subdividir en:

Semiconvertidor (un cuadrante, proporciona voltaje y corriente de salida

positivos).

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Convertidor completo (dos cuadrantes, la polaridad de su voltaje de salida

puede ser positiva o negativa, sin embargo, la corriente de salida solo

tiene una polaridad y es positiva).

Convertidor dual (cuatro cuadrantes, tanto su voltaje como su corriente

de salida pueden ser positivos o negativos). (Hart, 2006)

Las aplicaciones usuales de éste tipo de sistemas son la creación de

continua a partir de una alterna. En la industria química son utilizados

para control de procesos en galvanoplastia. También son utilizados para la

transmisión de potencia en tensiones elevadas en líneas de distribución,

son de utilidad en industrias de fabricación de baterías, para el control de

proceso de carga. (Hart, 2006)

Los tiristores ofrecen implementaciones de los conmutadores que dan

lugar a los controladores AC y controladores DC. (Hart, 2006)

Rectificador controlado monofásico de media onda

El tiristor de la siguiente figura no entrará en conducción cuando la señal

del generador sea positiva. La conducción no se inicia hasta que, tras

cumplirse Vak>0, se aplica una corriente a la puerta del tiristor , para lo

cual es necesario un circuito de control. Una vez que el tiristor conduce se

puede retirar la corriente de puerta y el tiristor se comportará como un

diodo. (Mohan, 2008)

Ilustración 41: Rectificador controlado monofásico de media onda y carga resistiva (Mohan, 2008)

Funcionamiento del circuito con carga resistiva:

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Se aplica una señal de entrada a la puerta del tiristor en el instante ωt=α

donde alfa recibe el nombre de ángulo de disparo. La tensión continua

media en la resistencia de carga será:

Y a la potencia absorbida por la resistencia viene dada por la tensión

eficaz que soporta y es igual a:

Donde la tensión eficaz es:

Y las formas de onda correspondientes serán:

Ilustración 42: Funcionamiento del circuito con carga resistiva (Mohan, 2008)

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Funcionamiento del circuito con carga RL

La siguiente figura muestra un circuito rectificador controlado con carga

resistiva e inductiva:

Ilustración 43: Funcionamiento del circuito con carga resistiva e inductiva (Mohan, 2008)

El análisis de éste circuito es similar al realizado para el rectificador no

controlado; la diferencia es que ahora el tiristor comienza a conducir en un

momento determinado por el ángulo de disparo α , la corriente por la carga

RL viene dada por:

Donde la impedancia de la carga es:

El ángulo viene dado por:

El parámetro tao es:

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Y el ángulo beta se denomina ángulo de extinción, que debe obtenerse

resolviendo la siguiente ecuación:

La cual no tiene solución algebraica y tiene que resolverse

numéricamente, las formas de onda fundamentales para éste circuito, la

tensión media viene dada por:

Ilustración 44: Formas de onda producidas por un rectificador controlado con carga resistiva e

inductiva (Mohan, 2008)

Rectificador controlado en puente monofásico

Como se indicó en la introducción se simplificará el análisis suponiendo

que la carga está formada por resistencia, inductancia y fuente de tensión,

con fuerte componente inductiva. (Lascano, 2008)

Se trata de una aproximación al comportamiento ante cargas

regenerativas, como un motor de corriente continua, por ejemplo. Si se

toma el origen de tiempos en el paso por cero de la tensión de red, con

P á g i n a | 40

pendiente creciente, el circuito de control (no representado en la figura)

se encarga de efectuar el disparo de los tiristores T1 y T2 cuando ωt=α, y

de T3 y T4 cuando ωt=π+α. (Lascano, 2008)

La corriente de salida se supone constante, el corte de cada par de

tiristores se produce cuando se dispara el par complementario, lo que

anula la corriente en los que conducían hasta ese momento. Según se

deduce en la propia Figura 2 el valor medio de la tensión de salida es

siendo Up la tensión de pico en el secundario del transformador y α el

ángulo de disparo. (Lascano, 2008)

Puede comprobarse que el valor medio de la tensión de salida puede

evolucionar, en función del ángulo de disparo, entre valores positivos y

negativos:

para 0≤α<90º la tensión de salida es positiva

para α=0º la tensión de salida se anula

para 90<α<180º la tensión de salida es negativa

Para la hipótesis de corriente constante (positiva) hacia la salida, se tiene

que el rectificador entrega potencia a la carga en el primer caso y toma

tensión de la carga en el segundo, éste sería el caso del frenado

regenerativo de un motor de corriente continua. (Lascano, 2008)

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Ilustración 45: Rectificador controlado en puente monofásico (Lascano, 2008)

Ilustración 46: Forma de onda de un rectificador controlado en puente monofásico (Lascano, 2008)

Rectificadores controlados de onda completa

Sustituyendo los diodos por tiristores para convertirlo en controlado, el

siguiente circuito funciona con una carga resistiva.

P á g i n a | 42

Ilustración 47: Rectificador controlado de onda completa (Mohan, 2008)

El ángulo de disparo alfa es ahora el intervalo angular entre la polarización

directa del tiristor y la aplicación de señal de la puerta. Si el ángulo de

disparo es cero, el circuito se comporta como un rectificador no

controlado. (Mohan, 2008)

Funcionamiento con carga resistiva según (Lascano, 2008):

La tensión media en la carga es ahora el doble que en circuito de media

onda:

Y la potencia entregada a la carga, vendrá dada a partir del cálculo de la

corriente RMS por la carga:

Ilustración 48: Formas de onda del rectificador controlado de onda completa (Mohan, 2008)

P á g i n a | 43

Funcionamiento con carga RL

Aquí la corriente de carga puede ser nula durante algún instante o, por el

contrario no anularse en ningún momento. A estas dos formas de

funcionamiento se les conoce como modo de funcionamiento continuo y

modo de funcionamiento discontinuo. (Mohan, 2008)

Ilustración 49: Rectificador controlado de onda completa con carga RL (Mohan, 2008)

Caso I Modo de funcionamiento discontinuo

El funcionamiento del circuito es idéntico al rectificador controlado de

media onda con carga RL. (Mohan, 2008)

Las ecuaciones características para éste circuito son las siguientes:

Resulta evidente que para que se verifique éste modo de funcionamiento

se tiene que cumplir que (Mohan, 2008)

P á g i n a | 44

Ilustración 50: Formas de onda del rectificador monofásico controlado de onda completa y carga

resistiva e inductiva en modo de funcionamiento discontinuo (Mohan, 2008)

Caso II Modo de funcionamiento continuo

Si se da el caso que:

Las ecuaciones anteriores ya no son válidas para describir la corriente por

la carga. Llegaremos entonces a un estado estacionario en que la

corriente de la carga será igual a la relación entre el valor medio de la

tensión de salida y la resistencia de carga. La condición de

funcionamiento continuo vendrá dada por:

Lo cual resulta en

Para que se verifique la igualdad debe ser

Que nos dé el siguiente resultado:

Relación que puede usarse para determinar si la corriente de carga es

continua o discontinua. (Mohan, 2008)

El valor medio de la tensión de salida es:

P á g i n a | 45

La corriente de salida será la suma de la corriente media dada por:

Y al conjunto de armónicos dados por la serie de Fourier y la resolución de

circuitos en AC para cada uno de ellos lo cual nos lleva a:

Y las amplitudes de los armónicos de la corriente vienen dados por:

Las siguientes ilustraciones nos muestran el comportamiento del

rectificador en este caso, si el ángulo de disparo es mayor que 90 grados,

la tensión de salida puede ser cero. (Mohan, 2008)

Ilustración 51: Formas de onda del rectificador monofásico controlado de onda completa y carga

resistiva e inductiva en modo de funcionamiento continuo (Mohan, 2008)

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Ilustración 52: Formas de onda del rectificador monofásico controlado de onda completa y carga

resistiva e inductiva en modo de funcionamiento continúo en la región de inversión (Mohan, 2008)

Rectificador controlado trifásico de onda completa

El circuito de control se encarga de disparar parejas de tiristores a partir

de un ángulo α medido a partir del punto de cruce entre diferencia de

tensiones máximas o tensión compuesta hacia la salida, es útil un

diagrama fasorial desfasado un ángulo α en retraso, que permite calcular

la tensión de salida como la máxima proyección sobre el eje horizontal

positivo de las tensiones compuestas. (Wiley, 2001)

P á g i n a | 47

Ilustración 53: Rectificador trifásico controlado de onda completa (Wiley, 2001)

El valor medio de la tensión de salida, para carga de corriente constante,

se obtiene entonces como:

Puede comprobarse que el efecto del ángulo de disparo es análogo al caso

del rectificador monofásico. En la ilustración 52 se representa la tensión

de salida para distintos ángulos de disparo. (Wiley, 2001)

Ilustración 54: Ondas de tensión de salida para distintos ángulos de disparo (Wiley, 2001)

P á g i n a | 48

Para cada período de la tensión de alimentación, el circuito de disparo ha

de suministrar 6 impulsos de control, distanciados 60° en el tiempo. Estos

impulsos de control tienen una duración de (180°- a), contado a desde el

punto de conmutación natural.

Ilustración 55: Cuadrantes de disparo (Mohan, 2008)

Los voltajes en el transformador son 120 grados entre fases:

Las tensiones de línea 6 fases desfasadas 60° entre si

A continuación se muestra una gráfica de los controles de compuerta de

los tiristores con su respectivo efecto en la onda corregida. (Mohan, 2008)

(a =30° Y CARGA RESISTIVA)

V an=V max Senωt

V bn=V max Sen(ωt−2 π3 )V cn=Vmax Sen (ωt+ 2π3 )

V ab=√3V max Sen(ωt+ π6 )V bc=√3Vmax Sen(ωt−π2 )V ca=√3V max Sen(ωt+ π2 )

P á g i n a | 49

Ilustración 56: Curvas características de un sistema trifásico

Con carga resistiva tendremos:

Para a < 60° corriente continuada

Para a >60° corriente discontinua

Impulsos de control para las puertas de los tiristores

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Ilustración 57: Formas de onda ante una carga resistiva para alfa=0 (http://electronicos.com, 2008)

Ilustración 58: Formas de onda ante una carga resistiva para alfa=30 (http://electronicos.com,

2008)

P á g i n a | 51

Ilustración 59: Formas de onda ante una carga resistiva para alfa=30 (http://electronicos.com,

2008)

Rectificadores semicontrolados

En estos rectificadores se tiene una combinación de tiristores y diodos, de

forma que sólo la mitad del puente es controlable. En la se presenta el

caso trifásico de onda completa. (Wiley, 2001)

Ilustración 60: Rectificador semicontrolado trifásico (Wiley, 2001)

V dc' = 1

2 π6

∫π6

+α

π

Vm (ab)dωt=

3π

∫π6

+α

π

√3V max Sen(ωt+ π6 )dωt=3√3Vmaxπ [1+Cos( π3 +α )]

P á g i n a | 52

A continuación se describen algunos de los parámetros éste circuito,

según (Mohan, 2008).

El valor medio para carga de corriente constante es:

En este caso el valor de la tensión de salida es siempre positivo.

Convertidor trifásico completo

Este convertidor se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales hasta

el nivel de 220kW, en las que se requiere de una operación en dos

cuadrantes.

Ilustración 61: circuito de un convertidor trifásico completo con carga altamente inductiva (Mohan,

2008)

Este circuito se conoce como puente trifásico. Los tiristores se disparan a

intervalos de pi/3. En wt=pi/6+alfa, el tiristor T6 ya conduce y el tiristor T1

se activa. Durante el intervalo pi/6+alfa<=pi/2+alfa conducen T1 y T6 y a

través de la carga aparece el voltaje de línea a línea Vab=Van-Vbn. (Mohan,

2008)

En wt=pi/2+alfa, T2 se dispara y T6 de inmediato invierte su polaridad. T6 se

desactiva debido a la conmutación natural. Durante el intervalo

pi/2+alfa<= pi*5_/6+alfa, T1 y T2 conducen y el voltaje de línea a línea, Vca,

aparece a través de la carga. Si los tiristores se enumeran tal y como se

muestra en la ilustración 56, la secuencia de disparo es: 12, 23, 34, 45, 56

y 61. (Mohan, 2008)

P á g i n a | 53

Los voltajes de línea son:

El voltaje de salida promedio es:

Valor rms del voltaje de salida

P á g i n a | 54

Pérdidas y rendimiento

En los rectificadores controlados las pérdidas más importantes son las

debidas al transformador y las de conducción de los tiristores. Las

pérdidas de conmutación son normalmente reducidas, puesto que se

conmuta a baja frecuencia (frecuencia de red). (Lascano, 2008)

En un transformador se tienen dos tipos de pérdidas: las denominadas

como pérdidas en el hierro o en el núcleo, que no dependen de la carga y

las debidas a la resistencia de los bobinados o pérdidas en el cobre.

(Lascano, 2008)

P á g i n a | 55

BibliografíaGutierrez, F. (2005). Electrónica de potencia. Obtenido de http://electronicadepotencia.com

Hart, D. W. (2006). Electrónica de Potencia. Valparaíso Indiana: Prentice Hall.

http://electronicos.com. (2008). Recuperado el 14 de 5 de 2010, de http://electronicos.com/2010/05/rectificadores_cno_controlados.html

Lascano, M. E. (2008). Circuitos con Diodos y aplicaciones. Obtenido de http://www.electronicatrabajos.com

Mohan, N. (2008). Power electronics: Converters, Aplications and design. Prentice Hall.

Pomilio, J. A. (1995). Eletrónica de Potência . SP - Brasil.

Rashid, M. (2007). Power Electronics Hand Book. United States: AP.

Ricci, M. L. (2008). electronica de potencia. Recuperado el 05 de 2010, de http://electronicatrabajos.com

Universidad Carlos III de Madrid. (2003). http://gsep.uc3m.es. Recuperado el 2010, de http://gsep.uc3m.es

Universitas Miguel Hernández. (2007). universitas.com. Recuperado el 05 de 2010, de http://universitas.com

Wiley, J. (2001). http://www.Power Electronics.org. Obtenido de http://www.Power Electronics.org

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Tabla de ilustraciones

Ilustración 1: Uso de los rectificadores en la vida cotidiana (Gutierrez, 2005).......................................1Ilustración 2:Muestra el proceso, filtro y regulación de AC a DC (Rashid, 2007)....................................1Ilustración 3: Situación dentro de la electrónica de potencia (Universidad Carlos III de Madrid, 2003) 3Ilustración 4: Rectificador monofásico de media onda (medio puente) con carga resistiva (Hart, 2006)...............................................................................................................................................................4Ilustración 5: Izquierda, Representación y construcción de un diodo, a la derecha, la curva tensión corriente de un diodo (Lascano, 2008)...................................................................................................5Ilustración 6: Curva tensión corriente de un diodo real (Lascano, 2008)...............................................5Ilustración 7: Formas de onda (carga resistiva) del rectificador monofásico no controlado, media onda (Lascano, 2008)......................................................................................................................................6Ilustración 8: Circuito rectificador de media onda con diodo y capacitor (Ricci, 2008)..........................8Ilustración 9: Circuito rectificador de media onda con diferentes valores de capacitores. (Ricci, 2008)9Ilustración 10: Rectificador monofásico de toma media y carga resistiva. (Pomilio, 1995)....................9Ilustración 11: Formas de onda del rectificador monofásico no controlado, onda completa. (Pomilio, 1995)....................................................................................................................................................10Ilustración 12: Puente rectificador monofásico no controlado de onda completa...............................12Ilustración 13: formas de onda del rectificador en puente completo con carga resistiva. (Mohan, 2008)....................................................................................................................................................13Ilustración 14: Rectificador de media onda con carga R (Universidad Carlos III de Madrid, 2003).......13Ilustración 15: Gráfica de rectificador de media onda con carga resistiva (Universidad Carlos III de Madrid, 2003).......................................................................................................................................13Ilustración 16: Rectificador de media onda con carga resistiva (http://electronicos.com, 2008).........14Ilustración 17: Rectificador de media onda carga RL............................................................................15Ilustración 18: Gráfica de rectificador de media onda con carga resistiva inductiva (Universidad Carlos III de Madrid, 2003)..............................................................................................................................15Ilustración 19: Formas de onda en un rectificador con carga resistiva inductiva (http://electronicos.com, 2008)...........................................................................................................16Ilustración 20: Rectificador de onda completa (Ricci, 2008).................................................................17Ilustración 21: Rectificador de Onda completa con carga R (Universidad Carlos III de Madrid, 2003) 18Ilustración 22: Ilustración 23: Gráfica de rectificador de onda completa con carga resistiva (Universidad Carlos III de Madrid, 2003)..............................................................................................18Ilustración 24: Rectificador de onda completa con carga R (Universidad Carlos III de Madrid, 2003)..19Ilustración 25: Gráfica del Rectificador de onda completa con carga R (Universidad Carlos III de Madrid, 2003).......................................................................................................................................19Ilustración 26: Rectificador de onda completa con carga RL (Universidad Carlos III de Madrid, 2003) 20Ilustración 27: Gráfica del Rectificador de onda completa con carga RL (Universidad Carlos III de Madrid, 2003).......................................................................................................................................20Ilustración 28: Rectificador trifásico de media onda (Wiley, 2001)......................................................21Ilustración 29: Estado de cada diodo de cada diodo en cada instante (Wiley, 2001)...........................21Ilustración 30: Estado de conducción de cada diodo. (Wiley, 2001)....................................................22Ilustración 31: Rectificador de onda completa (Wiley, 2001)...............................................................23Ilustración 32: Diagrama fasorial para los voltajes del sistema (Wiley, 2001)......................................23Ilustración 33: Estado de Conducción de los diodos en un sistema de corrección trifásico de onda completa (Wiley, 2001)........................................................................................................................24Ilustración 34: Rectificación trifásica en puente (Pomilio, 1995)..........................................................25

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Ilustración 35: Tensión trifásica de entrada al rectificador (Pomilio, 1995).........................................26Ilustración 36: Formas de onda del rectificador trifásico no controlado de onda completa. (Mohan, 2008)....................................................................................................................................................28Ilustración 37: Disgrama simplificado de un rectificador controlado (Mohan, 2008)...........................31Ilustración 38: Diagrama de bloques un rectificador controlado (Universitas Miguel Hernández, 2007).............................................................................................................................................................33Ilustración 39: Curva característica de un tiristor de potencia. (Mohan, 2008)....................................34Ilustración 40: Control de motor en antiparalelo (Universitas Miguel Hernández, 2007)....................34Ilustración 41: Rectificador controlado monofásico de media onda y carga resistiva (Mohan, 2008). 35Ilustración 42: Funcionamiento del circuito con carga resistiva (Mohan, 2008)..................................36Ilustración 43: Funcionamiento del circuito con carga resistiva e inductiva (Mohan, 2008)................37Ilustración 44: Formas de onda producidas por un rectificador controlado con carga resistiva e inductiva (Mohan, 2008)......................................................................................................................38Ilustración 45: Rectificador controlado en puente monofásico (Lascano, 2008)..................................39Ilustración 46: Forma de onda de un rectificador controlado en puente monofásico (Lascano, 2008)40Ilustración 47: Rectificador controlado de onda completa (Mohan, 2008)..........................................40Ilustración 48: Formas de onda del rectificador controlado de onda completa (Mohan, 2008)..........41Ilustración 49: Rectificador controlado de onda completa con carga RL (Mohan, 2008)....................41Ilustración 50: Formas de onda del rectificador monofásico controlado de onda completa y carga resistiva e inductiva en modo de funcionamiento discontinuo (Mohan, 2008)...................................42Ilustración 51: Formas de onda del rectificador monofásico controlado de onda completa y carga resistiva e inductiva en modo de funcionamiento continuo (Mohan, 2008).......................................44Ilustración 52: Formas de onda del rectificador monofásico controlado de onda completa y carga resistiva e inductiva en modo de funcionamiento continúo en la región de inversión (Mohan, 2008).............................................................................................................................................................44Ilustración 53: Rectificador trifásico controlado de onda completa (Wiley, 2001)...............................45Ilustración 54: Ondas de tensión de salida para distintos ángulos de disparo (Wiley, 2001)...............46Ilustración 55: Cuadrantes de disparo (Mohan, 2008).........................................................................46Ilustración 56: Curvas características de un sistema trifásico...............................................................47Ilustración 57: Formas de onda ante una carga resistiva para alfa=0 (http://electronicos.com, 2008)48Ilustración 58: Formas de onda ante una carga resistiva para alfa=30 (http://electronicos.com, 2008).............................................................................................................................................................48Ilustración 59: Formas de onda ante una carga resistiva para alfa=30 (http://electronicos.com, 2008).............................................................................................................................................................49Ilustración 60: Rectificador semicontrolado trifásico (Wiley, 2001).....................................................49Ilustración 61: circuito de un convertidor trifásico completo con carga altamente inductiva (Mohan, 2008)....................................................................................................................................................50