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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Laboratorio de

INFORME FINAL

“Rectificación Controlada

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Laboratorio de Electrónica Industrial

INFORME FINAL

Rectificación Controlada”

Experiencia 2

Grupo 8 Lautaro Narvaez Paredes

Juan Vargas Hernández

Fecha 09/11/2010

Revisado por

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

Industrial

Lautaro Narvaez Paredes

Juan Vargas Hernández

Nota

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Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010

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INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

Rectificar una señal consiste en transformar su forma de onda, generalmente sinusoidal (AC), en una señal constante (DC) o cercana a una constante. Para realizar el proceso de rectificación recurriremos a semiconductores (diodos, tiristores, IGBT, MOSFET, Triacs, IGCT, etc...). La rectificación de señales se puede clasificar según el tipo de conexión como por ejemplo las conexiones más comunes: Puente Monofásico, Trifásico Simple alimentación en estrella, Trifásico de Doble Estrella con Bobina de Absorción y el Puente trifásico o según el grado de control que se tenga sobre la conmutación de los semiconductores implicados, estas categorías son:

� Rectificación no controlada: No se controla la conmutación de ninguno de los semiconductores, este tipo de rectificadores se basa en la utilización de diodos.

� Rectificación semicontrolada: Se controla la conmutación de algunos de los semiconductores, este tipo de rectificadores se basa en la utilización de diodos y otros semiconductores controlables.

� Rectificación controlada: Se controla la conmutación de todos los semiconductores. Este tipo de rectificadores carecen de diodos, utilizando alguno de los otros semiconductores nombrados anteriormente.

El control de la conmutación de los semiconductores, implica control sobre la forma de onda que se obtendrá al realizar el proceso de rectificación, permitiéndonos variar los valores medios de dicha onda. En esta experiencia analizamos y conectamos un rectificador puente trifásico controlado, que toma la potencia de tres fuentes de tensión alterna que conectadas a un puente de tiristores y un filtro entrega una señal DC. El valor de la tensión de salida es controlado por el tiempo en el que se les permite conducir a los tiristores que están conectados a un circuito de disparo que tiene como interfaz un potenciómetro permitiendo a través de este último manejar el ángulo de disparo del circuito. En este informe contrastamos los resultados teóricos y de las simulaciones con los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio. Comparamos los parámetros como THD, PF obtenidos en el laboratorio para distintos ángulos de disparo y analizamos el efecto de este en el contenido armónico de las corrientes de la red. Observamos también la eficiencia del circuito y el efecto que tienen las inductancias conectadas entre la red y el rectificador.

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1. INFORME FINAL

En las siguientes secciones se detallan las distintas mediciones realizadas en la experiencia del laboratorio, así como los resultados y conclusiones.detalles:

� Los valores de los componentes utilizados en la carga son ésta última se obtiene conectando en paralelo todas las resistencias del banco. Para las inductancias de línea se considera un valor de

� Las puntas diferenciales de corriente y voltaje presentan offset. A pesar dlas puntas de corriente se puede corregir, para las puntas de voltaje se prefiere utilizar la que tenga menos offset en las mediciones de salida. De esta forma, se logra ser un poco más consecuente en la entrega de resultados y se evita obtener mde eficiencia mayor a 100%.

1.1 Mediciones

-Angulo 30º con carga R: Medimos el ángulo de conmutación a través del tiempo de bloqueo de un tiristor obteniendo los 30 grados a través de una regla de 3 simple con el tiempo medido y la fre

Figura 1. Tensión Línea

Estos 1.6 [ms] corresponden a los 30º como los 360º son a los 20[ms].

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En las siguientes secciones se detallan las distintas mediciones realizadas en la experiencia del laboratorio, así como los resultados y conclusiones. Se deben considerar l

Los valores de los componentes utilizados en la carga son � � 50���ésta última se obtiene conectando en paralelo todas las resistencias del banco. Para las inductancias de línea se considera un valor de �� � 3.7����. Las puntas diferenciales de corriente y voltaje presentan offset. A pesar dlas puntas de corriente se puede corregir, para las puntas de voltaje se prefiere utilizar la

offset en las mediciones de salida. De esta forma, se logra ser un poco más consecuente en la entrega de resultados y se evita obtener mediciones, por ejemplo, de eficiencia mayor a 100%.

Medimos el ángulo de conmutación a través del tiempo de bloqueo de un tiristor obteniendo los 30 grados a través de una regla de 3 simple con el tiempo medido y la frecuencia de la señal:

Tensión Línea-Línea y Tensión en un tiristor

Estos 1.6 [ms] corresponden a los 30º como los 360º son a los 20[ms].

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En las siguientes secciones se detallan las distintas mediciones realizadas en la experiencia Se deben considerar los siguientes

� y � 89.1�Ω�, ésta última se obtiene conectando en paralelo todas las resistencias del banco. Para las

Las puntas diferenciales de corriente y voltaje presentan offset. A pesar de que el offset de las puntas de corriente se puede corregir, para las puntas de voltaje se prefiere utilizar la

offset en las mediciones de salida. De esta forma, se logra ser un poco ediciones, por ejemplo,

Medimos el ángulo de conmutación a través del tiempo de bloqueo de un tiristor obteniendo los cuencia de la señal:

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Tensiones de entrada y salida: Las simulaciones entregan las siguientes formas de onda:

Figura 2.

En la salida se puede observar 6 pulsos, 2 por cada fase una por la parte positiva de la señal y la otra por la parte negativa. En el laboratorio obtuvimos:

Figura 3.

La diferencia más clara es que las simque en el laboratorio medimos las tensiones línea a línea (358 [v] rms). La red en el departamento además está contaminada con armónicas 5 y 7 principalmente lo que le da la forma distorsionada a la señal de entrada.

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Las simulaciones entregan las siguientes formas de onda:

Figura 2. Tensión de entrada (de fase) y salida

En la salida se puede observar 6 pulsos, 2 por cada fase una por la parte positiva de la señal y la

Tensión línea línea de entrada y salida

La diferencia más clara es que las simulaciones las realizamos con los voltajes de fase mientras que en el laboratorio medimos las tensiones línea a línea (358 [v] rms). La red en el departamento además está contaminada con armónicas 5 y 7 principalmente lo que le da la forma distorsionada

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En la salida se puede observar 6 pulsos, 2 por cada fase una por la parte positiva de la señal y la

ulaciones las realizamos con los voltajes de fase mientras que en el laboratorio medimos las tensiones línea a línea (358 [v] rms). La red en el departamento además está contaminada con armónicas 5 y 7 principalmente lo que le da la forma distorsionada

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Corrientes de entrada y salida:

Las simulaciones presentan los siguientes resultados:

Figura 4.

En el laboratorio vimos estas formas de onda:

Figura 5.

Siendo las formas de onda muy similcorriente que se explica por la forma de onda de la tension que es asi por las componentes armonicas que la vuelven mas puntiaguda.

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Corrientes de entrada y salida:

Las simulaciones presentan los siguientes resultados:

Figura 4. Corrientes de entrada y salida

En el laboratorio vimos estas formas de onda:

Figura 5. Corrientes de entrada y salida

Siendo las formas de onda muy similares, exepto que son mas rectas las disminuciones de la corriente que se explica por la forma de onda de la tension que es asi por las componentes armonicas que la vuelven mas puntiaguda.

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ares, exepto que son mas rectas las disminuciones de la corriente que se explica por la forma de onda de la tension que es asi por las componentes

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-Angulo 30 grados con carga R e inductancia de linea: Tensiones de entrada y salida:

Figura 6.

Estos son los resultados de la simulación y los experimentales los siguientes:

Figura 7.

Se puede notar que en la conmutación entre un par de tiristores y otro par existe un tiempo retardo que se debe al µ inducido por la L de línea. La diferencia que se puede notar entre las señales de salidas respecto a la suavidad de la simulación debe se efecto de la diferencia de las inductancias de línea que en las simulaciones son de 3,7[mH

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Angulo 30 grados con carga R e inductancia de linea:

Figura 6. Tensiones de entrada y salida

Estos son los resultados de la simulación y los experimentales los siguientes:

Figura 7. Tensiones de entrada y salida

Se puede notar que en la conmutación entre un par de tiristores y otro par existe un tiempo inducido por la L de línea. La diferencia que se puede notar entre las

señales de salidas respecto a la suavidad de la simulación debe se efecto de la diferencia de las inductancias de línea que en las simulaciones son de 3,7[mH]

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Se puede notar que en la conmutación entre un par de tiristores y otro par existe un tiempo de inducido por la L de línea. La diferencia que se puede notar entre las

señales de salidas respecto a la suavidad de la simulación debe se efecto de la diferencia de las

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Corrientes de entrada y salida:

Figura 8.

Figura 9.

Como se trata de una carga R la diferencia notada en las señales de tensión con respecto a la suavidad más marcada en las simulaciones se traspasa ta

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Figura 8. Corrientes de entrada y salida

Figura 9. Corrientes de entrada y salida

Como se trata de una carga R la diferencia notada en las señales de tensión con respecto a la marcada en las simulaciones se traspasa también a las señales de corriente.

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Como se trata de una carga R la diferencia notada en las señales de tensión con respecto a la mbién a las señales de corriente.

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-Angulo 30 grados con carga RL e inductancia de linea: Tensiones de entrada y salida

Figura 10.

Figura 11.

La diferencia notable es la debida a las componentes armónicas de lahacen puntiaguda pareciendo un diente de sierra la tensión de salida. Además en las simulaciones se ve la tensión de fase y en las mediciones se observan la tensión línea a línea. Corrientes de entrada y salida:

Figura 12.

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Angulo 30 grados con carga RL e inductancia de linea:

Figura 10. Tensiones de entrada y salida

Figura 11. Tensiones de entrada y salida

La diferencia notable es la debida a las componentes armónicas de la tensión de entrada que la hacen puntiaguda pareciendo un diente de sierra la tensión de salida. Además en las simulaciones se ve la tensión de fase y en las mediciones se observan la tensión línea a línea.

Figura 12. Corrientes de entrada y salida

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tensión de entrada que la hacen puntiaguda pareciendo un diente de sierra la tensión de salida. Además en las simulaciones

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Figura 13.

Las señales son muy similares y se ven suavizadas por la componente inductiva de la carga, que les disminuye las componentes armónicas -Angulo 90 grados con carga RL: El ángulo fue calculado con la mismidiendo el tiempo de caída de tensión en el tiristor. Aunque, por las características del conversor, se arruina la señal al intentar llegar hasta los 90º.

Figura 14. Tensión línea a línea y tensión en un ti

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Figura 13. Corrientes de entrada y salida

Las señales son muy similares y se ven suavizadas por la componente inductiva de la carga, que les disminuye las componentes armónicas

Angulo 90 grados con carga RL:

El ángulo fue calculado con la misma regla de tres ocupada para calcular el ángulo de 30º midiendo el tiempo de caída de tensión en el tiristor. Aunque, por las características del conversor, se arruina la señal al intentar llegar hasta los 90º.

Tensión línea a línea y tensión en un tiristor

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Las señales son muy similares y se ven suavizadas por la componente inductiva de la carga, que

ma regla de tres ocupada para calcular el ángulo de 30º midiendo el tiempo de caída de tensión en el tiristor. Aunque, por las características del

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Tensiones de entrada y salida:

Figura 15.

Figura 16.

Las señales presentan diferencias pues en la práctica se presentan factores que arruinan la señal de voltaje que están fuera de nuestra completados figuras la muesca característica de la carga RL pues esta obliga a los tiristores a seguir conduciendo durante algunos momentos aunque la tensión sea negativa.

Corrientes de entrada y salida:

Figura 17.

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Tensiones de entrada y salida:

Figura 15. Tensiones de entrada y salida

Figura 16. Corrientes de entrada y salida

Las señales presentan diferencias pues en la práctica se presentan factores que arruinan la señal de voltaje que están fuera de nuestra completa comprensión. Pero se pueden identificar en las dos figuras la muesca característica de la carga RL pues esta obliga a los tiristores a seguir conduciendo durante algunos momentos aunque la tensión sea negativa.

Corrientes de entrada y salida:

Figura 17. Corrientes de entrada y salida

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Las señales presentan diferencias pues en la práctica se presentan factores que arruinan la señal comprensión. Pero se pueden identificar en las

dos figuras la muesca característica de la carga RL pues esta obliga a los tiristores a seguir

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Figura 18.

Las señales son muy similares existiendo peaks en el osciloscopio provocados por el instrumento de medición. Funcionamiento Snubber: Como se explicó en el preinforme, el circuito snubber tiene lasemiconductor de varios eventos que pudiesen ocasionarle daños. Cabe destacar que el circuito se compone de un condensador y una resistencia en paralelo a cada tiristor. En la siguiente figura se muestra la corriente que circula por el snubber durante una conmutación del semiconductor

Figura 19.

Se observa la dinámica del snubber que se opone a los cambios bruscos de voltaje, limitando o amortiguando la corriente. Ademseñal se ve disminuido y con una corriente significativamente menor circulando por el circuito.

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Figura 18. Corrientes de entrada y salida

Las señales son muy similares existiendo peaks en el osciloscopio provocados por el instrumento

Como se explicó en el preinforme, el circuito snubber tiene la función de proteger al dispositivo semiconductor de varios eventos que pudiesen ocasionarle daños. Cabe destacar que el circuito se compone de un condensador y una resistencia en paralelo a cada tiristor. En la siguiente figura se

circula por el snubber durante una conmutación del semiconductor

Figura 19. Circuito Snubber. a) Sin Ls b) Con Ls

Se observa la dinámica del snubber que se opone a los cambios bruscos de voltaje, limitando o Además, al incluir la inductancia de línea, el efecto oscilator

y con una corriente significativamente menor circulando por el circuito.

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Las señales son muy similares existiendo peaks en el osciloscopio provocados por el instrumento

función de proteger al dispositivo semiconductor de varios eventos que pudiesen ocasionarle daños. Cabe destacar que el circuito se compone de un condensador y una resistencia en paralelo a cada tiristor. En la siguiente figura se

circula por el snubber durante una conmutación del semiconductor

Se observa la dinámica del snubber que se opone a los cambios bruscos de voltaje, limitando o el efecto oscilatorio en la

y con una corriente significativamente menor circulando por el circuito.

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1.2 Resumen S, P, PF y DPF

Utilizando el instrumento Hioki Power Meter se obtienen las mediciones para la potencia activa (P), potencia reactiva (Q), potencia aparente (S), factor de potencia (PF) y factor de desplazamiento (DPF). La siguiente tabla resume los datos medidos para distintos ángulos de disparo φ=30° y φ=90°.

Tabla 1. Mediciones

Parámetro φ = 30° φ = 90°

P 1.93[kW] 0.12[kW] Q 1.29[kVAr] 0.52[kVAr] S 2.32[kVA] 0.53[kVA]

DPF 0.8650 0.2647 PF 0.8307 0.2212

Los resultados entregados corresponden a la suma de las tres fases, destacando que individualmente las fases presentan valores diferentes que dependen de la carga existente para cada caso. Analizando la tabla 1 se pueden ver varias características que influyen en las mediciones al variar el ángulo de disparo del rectificador.

� La potencia activa disminuye al aumentar el ángulo de disparo, debido a que la tensión media en la carga es menor. Además, se tiene que P es no nula para φ=90°, a pesar de que teóricamente se esperaría lo contrario ya que cos(90°)=0.

� La potencia reactiva aparece por la presencia de componentes inductivos en el circuito y por los efectos no lineales del convertidor. Este último efecto predomina para 90°, ya que como se aprecia, gran parte de la potencia aparente es reactiva.

� Para el caso de la potencia aparente se verifica que se cumple la relación � = ��� + ��.

� El factor de desplazamiento para 30° es muy similar al valor teórico esperado, �����° =cos 30° ≈ 0.86. Para el caso del ángulo de 90° el valor es un poco diferente ya que ���"�° = cos 90° = 0. La explicación para esta discrepancia es que la teoría se basa en que el ángulo de disparo es equivalente al desfase entre voltaje y corriente (# = $) lo que no se cumple exactamente en la práctica. Además, se debe tener en cuenta la presencia del ángulo de conmutación µ, que afecta directamente al valor de DPF.

� El factor de potencia es proporcional al factor de desplazamiento según �� = ��� ∙ ��. Como se observa en la tabla, ambos valores son muy similares y por ende, el factor de distorsión no es un parámetro predominante.

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1.3 THD del rectificador en las corrientes de entrada

Con el instrumento Hioki se miden los siguientes valores para el THD de las corrientes de entrada. La medición se realiza con una carga RL, sin inductancias de línea y para ángulos de disparo de 30° y 90°.

Figura 20. THD y armónicos. a) 30° b) 90°

Tabla 2. THD Corrientes de entrada

Parámetro φ = 30° φ = 90°

THD 30.45% 69.25% Como se esperaba de los cálculos del preinforme, el valor del THD para el ángulo de disparo de 30° es mucho menor a cuando se dispara con 90°. Como el THD mide la distorsión de una señal, es claro que a un mayor ángulo de disparo (dentro del rango), la deformación es mayor. Además, un mayor ángulo disminuye la corriente y tensión en la carga, lo que hace disminuir la corriente de entrada. El detalle es que la mayor disminución se produce en la fundamental, lo que genera un factor de distorsión mayor. Comparando con los valores teóricos para las mediciones, se observa que para el ángulo menor el resultado es muy similar, pero que para 90° existe una diferencia importante. El error puede atribuirse a las condiciones de medición, principalmente de los instrumentos o, probablemente, de un error al momento de realizar la medición. De todas formas, se mantiene la característica para la distorsión.

Tabla 3. THD Corrientes de entrada teórico

Parámetro φ = 30° φ = 90°

THD 30% 95% Por su parte, en la figura 20 se distinguen claramente los armónicos característicos de este tipo de rectificación (6 pulsos), 5 y 7, 11 y 13, 17 y 19, etc.

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1.4 Efecto inductancias de línea

Se analiza el caso de una carga R con y sin inductancia de línea disparo de 30°. En las siguientes imágenes se puede apreciar el efecto de corrientes de entrada y salida.

Figura 21. Voltajes de entrada y salida. a) Sin

Figura 22. Corrientes de entrada y salida. a) Sin

A pesar de que en la señal de voltajes no se aprecian mayores diferencias al introducir las inductancias de línea, se tiene que éstas disminuyen la tensión líneaTambién existe una leve disminuci En el caso de las formas de onda de la corriente se observa que hay una disminucivalores rms de ambas corrientes. Ademcomo un filtro de corriente, suavizando en cierta medida la forma de onda. Tamblos peaks de corriente que se producen durante la conmutaciconvierte en una ventaja. Este rdisparo, ya que se agrega el efecto del

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Efecto inductancias de línea. Mínimo y máximo ángulo de disparo.

Se analiza el caso de una carga R con y sin inductancia de línea Ls, considerando un ángdisparo de 30°. En las siguientes imágenes se puede apreciar el efecto de Ls

Voltajes de entrada y salida. a) Sin Ls b) Con Ls

Corrientes de entrada y salida. a) Sin Ls b) Con L

ue en la señal de voltajes no se aprecian mayores diferencias al introducir las inductancias de línea, se tiene que éstas disminuyen la tensión línea-línea en cerca de 7[V].

én existe una leve disminución en el valor medio del voltaje en la carga.

En el caso de las formas de onda de la corriente se observa que hay una disminucivalores rms de ambas corrientes. Además, al introducir las inductancias de línea, como un filtro de corriente, suavizando en cierta medida la forma de onda. Tamb

que se producen durante la conmutación de los tiristores, lo que se resultado tiene la desventaja de disminuir el ángulo m

l efecto del ángulo de conmutación.

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, considerando un ángulo de en los voltajes y

Ls

ue en la señal de voltajes no se aprecian mayores diferencias al introducir las línea en cerca de 7[V].

En el caso de las formas de onda de la corriente se observa que hay una disminución en los ínea, éstas actúan

como un filtro de corriente, suavizando en cierta medida la forma de onda. También se eliminan ón de los tiristores, lo que se

ángulo máximo de

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El análisis anterior se basa en las mediciones obtenidas a partir del osciloscopio. También se puede tener una idea de lo que ocurre con el factor de potencia, las armónicas y el THD

Figura 23. Factor de potencia. a) Sin Ls b) Con Ls

Figura 24. Armónicas y THD. a) Sin Ls b) Con Ls

Se tiene que el factor de potencia se reduce levemente debido a la incorporación de las componentes dinámicas inductivas en el circuito. También, hay una disminución de la corriente rms fundamental y por consiguiente, disminuye el valor de la corriente total. El THD disminuye ligeramente, lo que indica que la forma de onda de la corriente se suaviza en algún grado. Esto concuerda con el hecho de que la inductancia actúa como una especie de filtro de corriente.

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Para la medición de los ángulos mimágenes, además se cuenta con

Figura 25. a) Mínimo ángulo de disparo

Figura 26. THD y armónicas. a)

En la figura 25a) se muestra el mcorresponde (según el método de mediciIdealmente éste debiera ser 0°, pconmutación no es posible lograrlo. ángulo de conmutación, que equivale a resistiva, teóricamente el ángulo de disparo mcercano, sólo que es perturbado por En la figura 26 se muestra el resultadola señal se distorsiona considerablemen90°, los armónicos 5 y 7 poseen casi la misma amplitud de la fundamental.

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ángulos máximos y mínimos de disparo se consideran las siguientes una carga resistiva R e inductancias de línea Ls

Mínimo ángulo de disparo b) Máximo ángulo de disparo

. a) Mínimo ángulo de disparo b) Máximo ángulo de disparo

a) se muestra el mínimo ángulo de disparo a partir del voltaje de un tiristorétodo de medición especificado en el preinforme) a 880[ser 0°, pero por los efectos de la inductancia de línea y del

ón no es posible lograrlo. En la figura 25b) se intenta obtener el valor m, que equivale a aproximadamente 7[ms] o 126°. Aunque p

ángulo de disparo máximo debiese ser 150°, se obtiene un valor por los efectos antes mencionados.

resultado en el THD y el contenido armónico. Claramente se ve que la señal se distorsiona considerablemente con un ángulo de disparo mayor. Adem

ónicos 5 y 7 poseen casi la misma amplitud de la fundamental.

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ínimos de disparo se consideran las siguientes

Máximo ángulo de disparo

Máximo ángulo de disparo

r del voltaje de un tiristor, que 880[us] ó 15.84°.

ínea y del ángulo de intenta obtener el valor máximo del

Aunque para una carga áximo debiese ser 150°, se obtiene un valor

ónico. Claramente se ve que demás, en el caso de

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CONCLUSIONES

En esta experiencia se analizaron las principales características de un rectificador puente controlado. A diferencia de la experiencia anterior, donde se utilizó un rectificador únicamente con diodos, en ésta se introdujo la capacidad de control al contar con tiristores, lo que brinda variadas ventajas. A través de la correcta disposición del disparo de los semiconductores se hace posible manejar la tensión de salida. Esto último posee la dificultad de tener que contar con un módulo que permita el correcto ajuste del disparo. El tipo de carga con que se trabaje interviene en la conducta del sistema. El rango del ángulo de disparo del tiristor es distinto para una carga R y una RL. Por su parte éste ángulo influye poderosamente en la forma de onda de la corriente de entrada. El análisis de los resultados arrojó que un mayor ángulo de disparo produce más distorsión en las señales, aumenta el THD y distribuye el espectro de la corriente de entrada, lo que es un efecto muy indeseado para la red. Otro efecto del disparo aparece en las distintas mediciones que se realizaron para la potencia de entrada y los factores asociados. Al aumentar el ángulo de disparo se obtuvo que gran parte de la potencia se convierte en reactiva, disminuyendo la eficiencia del convertidor. En el laboratorio también se pudo apreciar el efecto de protección de un circuito snubber RC, que actúa amortiguando la corriente que circula por el tiristor y de esta forma, evitando bruscos cambios en la tensión. Similar al caso del rectificador no controlado, se produce un efecto en la red y en el sistema al agregar inductancias de línea Ls. Una vez que se incorporan, las conmutaciones no pueden considerarse instantáneas y se presenta un pequeño retardo en el disparo del tiristor. Como se analizó, este retardo conlleva varios efectos; uno de los principales es que disminuye el rango del ángulo de disparo del dispositivo. El aspecto positivo es que la inductancia actúa como un filtro de corriente suavizando la señal y eliminando los cambios bruscos de magnitud.