final rectificacion no controlada

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Laboratorio de Electrónica Industrial

INFORME FINAL

“Rectificación no controlada”

Experiencia 1

Grupo 8Lautaro Narváez

Juan Vargas H.

Fecha 19/10/2010

Revisado por Nota

Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

En esta experiencia realizamos el análisis de un rectificador trifásico conectado a distintos tipos de cargas, se efectuaron previamente simulaciones y luego fueron contrastadas con las formas de ondas obtenidas de manera experimental. Obtuvimos ciertas características de forma teórica y las comparamos con los resultados obtenidos a través de una serie de instrumentos. Todo esto tanto para comprender el funcionamiento del sistema como para ver el funcionamiento de este en la práctica y la familiarización con los instrumentos de medición y los equipos. Este informe presenta los contrastes entre los resultados teóricos obtenidos en el pre-informe con las mediciones experimentales obtenidas en el laboratorio analizando sus diferencias y comprobando sus similitudes.

1. INFORME FINAL

1.1 Simulaciones y Mediciones, contrastes y diferencias

a) Con carga resistiva pura

Voltajes entrada y salida:

Figura 1. Simulación, voltajes de entrada(azul) y salida(rojo) con carga R

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Figura 2. Fotografía del osciloscopio, voltajes de entrada(café) y salida(rojo) con carga R

La tensión media de salida esperada por las simulaciones era de 513[V] resultando en la realidad de 490[V] esto se debe en parte a que la tensión línea-línea de entrada esperada era de 380[V] RMS y en la práctica podemos observar que fue de 365[V], otro factor son la caída en cables y diodos de potencia.

Corrientes de entrada y salida:

Figura 3. Simulación, corrientes de entrada(azul) y salida(rojo) con carga R

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Figura 4. Fotografía del osciloscopio, corrientes de entrada(azul) y salida(rojo) con carga R

La carga resistiva conectada fue de aproximadamente 90[ohm]. La corriente de media de salida se obtiene del valor de la resistencia y del voltaje de salida, obtenido anteriormente. Se considera un error despreciable de 20[mA], debido probablemente a la tolerancia de las resistencias de 540[ohm] conectadas en paralelo.

Io=490[V ]

90[o hm ]=5.44 [ A ]

b) Con carga resistiva-inductiva.

Voltajes de entrada y salida:

Los resultados obtenidos fueron idénticos, debido a que la característica de la carga inductiva no modifica la forma de onda del voltaje de salida. Por su parte el voltaje de entrada, o de línea, tampoco se ve afectado. Este hecho se debe a que la carga RL es básicamente un filtro de corriente y por ende, el voltaje no sufre alteraciones.

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Corrientes de entrada y salida

Figura 5. Simulación, corriente de entrada por fase(azul) y salida(rojo) con carga RL

Figura 6. Fotografía del osciloscopio, corrientes de entrada por fase(azul) y salida(rojo) con carga RL

Se logra apreciar tanto en la simulación como en las imágenes obtenidas desde el osciloscopio una distorsión de los lóbulos provocada por el efecto filtro de la carga inductiva que disminuye las componentes armónicas de alta frecuencia, si la inductancia tendiera a infinito estos pulsos serian cuadrados y la corriente de salida sería totalmente rectificada.

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c) Carga inductiva-resistiva con inductancia línea


Figura 7. Fotografía del osciloscopio, voltajes de entrada(café) y salida(verde) con carga RL e inductancia de línea

Se puede observar un cambio en el voltaje de salida que se manifiesta como una variación del ángulo de conmutación. Este fenómeno será analizado más adelante.

d) Carga capacitiva-resistiva:


Figura 8. simulación, corrientes de entrada(azul) y salida(rojo) con carga RC

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Figura 9. Fotografía del osciloscopio, voltajes de entrada (café) y salida (verde) con carga RC

Claramente se puede observar una rectificación casi perfecta pues el condensador de salida se carga con el peak del voltaje línea a línea. Las componentes fundamentales y las armónicas se reducen prácticamente a 0.

Corrientes de entrada y salida:

Figura 10. Simulación, corrientes de entrada por una fase(azul) y salida(rojo) con carga RC

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Figura 11.Fotografía del osciloscopio, corrientes de entrada por una fase (azul) y salida(rojo) con carga RC

La simulación coincide prácticamente con la realidad, excepto por las salvedades ya mencionadas que el voltaje de entrada de la simulación era mayor que el voltaje que nos proporcionaba la red del laboratorio. Cabe notar la componente a frecuencia de red que modula la señal de 6 pulsos de la corriente.

e) Voltaje ánodo-cátodo en un diodo:

Figura 12. Fotografía del osciloscopio, caídas de tensión en un diodo

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Se puede observar la tensión de los diodos corresponde a lo esperado. Una tensión negativa a causa de que solo con esta bloquea la corriente. Se puede observar mejor el fenómeno en la siguiente fotografía:

Figura 13.Fotografía del osciloscopio, caídas de tensión en un diodo

Donde se puede apreciar el voltaje línea a línea, la corriente por una fase y la caída de tensión en el diodo. El diodo conduce en un ciclo durante 60 grados.

1.2 Tabla con Pa, Pr, PF, DPF.

Conectamos todos los terminales del aparato de medición Hioki Power Meter a las fases de entrada al sistema, y obtuvimos los siguientes valores.

Tabla 1. Mediciones (Pa, Pr, PF, DPF) del Hioki Power Meter

Parámetro RL RCPa1 0.884 kW 0.902 kWPa2 0.898 kW 1.040 kWPa3 0.885 kW 1.073 kWPa total 2.668 kW 3.016 kWPr1 0.245 kVAr 1.222 kVArPr2 0.44 kVAr -1.367 kVArPr3 0.243 kVAr 1.414 kVArPr total 0.732 kVAr 1.268 kVArPF1 0.9633 0.5989PF2 0.9653 -0.6058PF3 0.9648 0.6040PF trifásico 0.9645 0.6030

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DPF1 0.8617 0.8359DPF2 0.86336 0.8973DPF3 0.8576 0.8137DPF trifásico 1.000 0.9975

De estas mediciones obtenidas se puede realizar una comparación entre los 2 tipos de filtros RL y RC. El sistema con filtro capacitivo consume una mayor potencia activa debido a las perdidas en las resistencias de descarga conectadas en paralelo con los condensadores. Además, una potencia reactiva 1.7 veces mayor que la consumida por el sistema con filtro RL y un factor de potencia muy lejano a 1, revelando lo que ya se había observado al medir grandes cantidades de potencia reactiva que no genera trabajo. Este fenómeno se debe a las grandes cantidades de componentes armónicas que genera el tipo de filtro RC, que se pueden observar en su corriente muy lejana a una sinusoidal pura. El factor de potencia del filtro inductivo se debe principalmente a las no linealidades inducidas por el arreglo de diodos. Con respecto al ángulo de desfase trifásico los valores son 1 o aproximados a 1 que es lo esperado pues el ángulo de disparo es 0. Los DPF de cada fase (0.86) están porque el Hioki Power Meter mide el desfase entre las tensiones línea a línea y las corrientes de fase por defecto, correspondiendo esto justamente a Cos(30)= 0.866.

1.3 THD RL RC, comparar y comentar

Tabla 2. Mediciones del Hioki Power Meter

Parámetro RL RCfundamental 4.134 4.3295ª 0.962 3.9477ª 0.461 3.32811ª 0.369 2.436THD 30.25 139.34

El THD (Total Harmonic Distorsion, o Distorsión Armónica Total) es un factor que mide la distorsión de una señal respecto de una sinusoidal perfecta. En este caso es posible apreciar que la distorsión en el circuito con filtro capacitivo es alrededor de 4.6 veces la distorsión en un circuito con filtro inductivo. Aquí es donde está el criterio de diseño, pues si bien la carga RC entrega un voltaje y por ende una corriente casi perfectamente CC con muy poco contenido fundamental y menos aun armónico, el filtro LR provoca una distorsión en la red considerablemente menor y los efectos oscilatorios en el voltaje de salida pueden ser filtrados en otras etapas.

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1.4 Efector de los inductores de entrada, fundamentación experimental

La siguiente es una imagen ampliada y con cursores del efecto provocado en la tensión de salida por las inductancias de línea

Figura 14. Fotografía del osciloscopio, corrientes de entrada(café) y salida(verde) con carga RC

El efecto buscado de los inductores de entrada es disminuir las componentes armónicas de la corrientes, pues solo con filtros inductivos en serie a la carga es imposible cumplir con las normativas para las componentes armónicas de la potencia recomendadas por la IEEE.el efecto indeseado es la modificación del ángulo de disparo de los diodos semiconductores por ser forzarlos a conducir un cierto tiempo luego de su punto de conmutación natural. En la imagen previa pudimos observar un ángulo de conmutación de: 10.8 grados. Esto modifica el DPF de la siguiente manera:

Y como en este caso =0, este factor se convierte en una distorsión mas para el factor de potencia

( ).

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1.5 Eficiencia RL y RC

Tabla 3. Potencias activas y eficiencia

Parámetro RL RCPin 2.668 kW 3.016 kWPout 2.623 kW 2.66252 kW 0.983 0.8828

Se puede apreciar claramente la mayor eficiencia del filtro inductivo, sus pérdidas se deben únicamente a las caídas en los diodos y en el cobre.

CONCLUSIONES

En esta experiencia básicamente hicimos un paralelo entre el rectificador trifásico no controlado con filtro inductivo y el con filtro capacitivo. Las conclusiones fueron claras, el filtro capacitivo la única ventaja que presenta es su casi nulo contenido armónico en la salida de voltaje, entregando casi perfectamente CC. Esto podría ser útil en aplicaciones específicas en las que sea difícil implementar filtros en la salida y se necesite CC de alta calidad. Esta ligera ventaja esta en contraposición con la serie de desventajas que tiene este tipo de configuración respecto al filtro inductivo.Para los condensadores es necesario implementar una resistencia en serie que limite los peaks de corriente y otra resistencia en paralelo a estos para la descarga. Estas resistencias disipan potencia activa en forma de calor.Las formas de onda de la corriente de entrada de la red en cada fase muestran una grave distorsión, prácticamente imposible de compensar, que inhabilitan al filtro capacitivo para cumplir con las normas exigidas en chile para los armónicos, propuestas por la IEEE.Esta distorsión aumenta la cantidad de potencia reactiva que consume el sistema.Los problemas con los armónicos son solucionables en cambio con el filtro RL, incluyendo además de las inductancias de filtrado del voltaje de salida, inductancias de entrada en las líneas de alimentación con lo que es posible cumplir con los requerimientos de THD.Las inductancias de línea le otorgan cierto grado de inercia a las corrientes modificando el ángulo de disparo (normalmente el natural en los diodos) y empeorando ligeramente el factor de potencia.Los aspectos técnicos rescatables son el uso de las puntas diferenciales que nos dieron una mayor libertad y seguridad a la hora de realizar las mediciones, el acercamiento al uso del instrumento Hioki Power Meter que probablemente sea muy similar a los instrumentos de medición de parámetros que nos encontraremos en el ejercicio de la carrera.

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