Implementacion de un rectificador con fines didacticos federico gaston rosales
8
AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina. Área Estudiantil IMPLEMENTACIÓN DE UN RECTIFICADOR CONTROLADO CON FINES DIDÁCTICOS Federico Gastón Rosales, Guillermo Luciano Magaldi Asesor: Ing. Federico Martin Serra Laboratorio de Control Automático. Facultad de Ingeniería y Ciencias Económico- Sociales. Universidad Nacional de San Luis. RP N°55, ex RN N°148 Ext. Norte (5730). Villa Mercedes. San Luis. Argentina. [email protected] Resumen: Se presenta la implementación de un Rectificador Trifásico Controlado para ser utilizado como prototipo de laboratorio en la enseñanza de la electrónica de potencia. Se muestran resultados de simulación y resultados experimentales que validan el comportamiento del convertidor. Ésta implementación fue presentada como parte del trabajo final de carrera. Palabras claves: Rectificador Trifásico Controlado, Convertidores CA-CC, Electrónica de Potencia, Enseñanza. 1. INTRODUCCIÓN. La Electrónica de Potencia (EP) es una materia específica de las carreras de ingeniería eléctrica y electrónica, que trata sobre la conmutación, conversión, control y procesamiento de la energía eléctrica a través del uso de dispositivos semiconductores de potencia (Storm, 1969). La enseñanza de la EP se ve mejorada con las prácticas de laboratorio, es por esto que se impulsa el desarrollo y la implementación de equipamiento para estas prácticas, por parte de las universidades, debido al alto costo de equipos comerciales (Garcia et al, 1996; Susin et al, 1999). Debido a esto último, en el Laboratorio de Control Automático (LCA), de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Económico-Sociales de la Universidad Nacional de San Luis, se propuso diseñar y construir un rectificador trifásico controlado (convertidor CA- CC) destinado a estas prácticas de laboratorio, con la finalidad de monitorear y medir las diferentes señales presentes durante el funcionamiento del convertidor. Estos convertidores son circuitos electrónicos de potencia sencillos y de bajo costo, utilizados en aplicaciones industriales como control de motores de CC, cargadores de baterías, y transmisión de potencia en CC de alta tensión. Esta implementación forma parte de una serie de convertidores de potencia, presentados como trabajo final de carrera, de la FICES. Este trabajo está organizado de la siguiente manera: en la sección 2 se describe el convertidor CA-CC, en la sección 3 se presentan los resultados de simulación, en la sección 4 los resultados experimentales y en la sección 5 se exponen las conclusiones y trabajos futuros. 2. DESCRIPCIÓN DEL CONVERTIDOR CA-CC. Los convertidores CA-CC permiten obtener a la salida una tensión de CC a partir de una tensión de CA aplicada a la entrada. Estos se basan, fundamentalmente, en el encendido y apagado de dispositivos semiconductores de potencia, que
-
Upload
ferney-soler -
Category
Engineering
-
view
214 -
download
6
Transcript of Implementacion de un rectificador con fines didacticos federico gaston rosales
AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.
Área Estudiantil
IMPLEMENTACIÓN DE UN RECTIFICADOR CONTROLADO CON FINES
DIDÁCTICOS
Federico Gastón Rosales, Guillermo Luciano Magaldi
Asesor: Ing. Federico Martin Serra
Laboratorio de Control Automático. Facultad de Ingeniería y Ciencias Económico-
Sociales. Universidad Nacional de San Luis. RP N°55, ex RN N°148 Ext. Norte (5730).
Villa Mercedes. San Luis. Argentina.
Resumen: Se presenta la implementación de un Rectificador Trifásico Controlado para ser
utilizado como prototipo de laboratorio en la enseñanza de la electrónica de potencia. Se
muestran resultados de simulación y resultados experimentales que validan el
comportamiento del convertidor. Ésta implementación fue presentada como parte del
trabajo final de carrera.
Palabras claves: Rectificador Trifásico Controlado, Convertidores CA-CC, Electrónica de
Potencia, Enseñanza.
1. INTRODUCCIÓN.
La Electrónica de Potencia (EP) es una materia
específica de las carreras de ingeniería eléctrica y
electrónica, que trata sobre la conmutación,
conversión, control y procesamiento de la energía
eléctrica a través del uso de dispositivos
semiconductores de potencia (Storm, 1969).
La enseñanza de la EP se ve mejorada con las
prácticas de laboratorio, es por esto que se impulsa
el desarrollo y la implementación de equipamiento
para estas prácticas, por parte de las universidades,
debido al alto costo de equipos comerciales (Garcia
et al, 1996; Susin et al, 1999).
Debido a esto último, en el Laboratorio de Control
Automático (LCA), de la Facultad de Ingeniería y
Ciencias Económico-Sociales de la Universidad
Nacional de San Luis, se propuso diseñar y construir
un rectificador trifásico controlado (convertidor CA-
CC) destinado a estas prácticas de laboratorio, con la
finalidad de monitorear y medir las diferentes
señales presentes durante el funcionamiento del
convertidor.
Estos convertidores son circuitos electrónicos de
potencia sencillos y de bajo costo, utilizados en
aplicaciones industriales como control de motores de
CC, cargadores de baterías, y transmisión de
potencia en CC de alta tensión.
Esta implementación forma parte de una serie de
convertidores de potencia, presentados como trabajo
final de carrera, de la FICES.
Este trabajo está organizado de la siguiente manera:
en la sección 2 se describe el convertidor CA-CC, en
la sección 3 se presentan los resultados de
simulación, en la sección 4 los resultados
experimentales y en la sección 5 se exponen las
conclusiones y trabajos futuros.
2. DESCRIPCIÓN DEL CONVERTIDOR CA-CC.
Los convertidores CA-CC permiten obtener a la
salida una tensión de CC a partir de una tensión de
CA aplicada a la entrada. Estos se basan,
fundamentalmente, en el encendido y apagado de
dispositivos semiconductores de potencia, que
AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.
Área Estudiantil
generalmente pueden ser diodos y/o tiristores
(Silicon Controled Rectifier, SCR).
Para obtener una tensión de salida regulada, se
utilizan SCR en lugar de diodos para construir el
convertidor. El principio de funcionamiento se basa
en disparar estos dispositivos con un cierto ángulo
de retraso respecto al punto de conmutación natural
o paso por cero de la tensión de entrada (Rashid,
2004).
En la figura 1 se presenta una fotografía del
convertidor implementado donde se observan las
diferentes partes que lo componen.
Placa de
control
Transformadores
de sincronismoPlaca de
potencia
Fuente lineal
Fig. 1. Fotografía del rectificador.
En la figura 2 se muestra un diagrama en bloques del
sistema, donde se observa que el mismo está
compuesto por un puente rectificador trifásico con
SCR, un circuito de control encargado de generar los
pulsos de disparo y un lazo de sensado de la tensión
de CC con fines de visualización.
TCA 785 Carga
Lazo de sensado y
visualización de la
tensión de salida
Aislación
Visualizador
Etapa de potenciaEtapa de aislacionEtapa de control
Fig. 2. Diagrama en bloques del sistema.
El convertidor implementado está constituido por las
siguientes etapas principales:
Etapa de potencia.
Etapa de aislación.
Etapa de control.
Seguidamente se detallan cada una de ellas.
2.1. Etapa de potencia.
Mediante el retraso del ángulo de disparo de los
SCR, se consigue controlar el tiempo en que la
tensión de la fuente esta aplicada en la carga
pudiendo de esta forma regular el valor medio y
eficaz de la tensión en la carga y con esto la potencia
entregada a la misma (Mohan et al., 1995).
La topología básica de un rectificador controlado se
muestra en la figura 3, donde se observa que la
alimentación trifásica alterna se conecta al punto
medio de las piernas formadas por los SCR.
Carga
resistiva
A ~
B
C
S5
~
~
S3
S1
S4
S6
S2
Fig. 3. Topología básica del convertidor CA-CC.
Una de las ventajas de esta configuración, es que la
frecuencia del ripple de tensión en la salida es seis
veces la frecuencia de alimentación y, por lo tanto,
los requisitos de filtrado son menores que los
rectificadores de media onda (Rashid, 2004).
El valor medio de la tensión de salida está dado por
la ecuación (1), donde Vm representa la tensión pico
de fase y α el ángulo de retraso.
Vcd =3 3Vmπ
cos α
(1)
Del análisis de esta ecuación se comprueba que Vcd
depende directamente del ángulo de retraso en el
disparo de los SCR.
En la figura 4 se muestra una fotografía con la etapa
de potencia implementada, donde se observan las
distintas partes que la componen.
Tensión de
salida
SCR y
disipadores
Red Snubber
MOC 3020
Rg
Rin
Pulsos de
disparo
Tensiones de
entrada
Fig. 4. Fotografía de la etapa de potencia implementada.
AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.
Área Estudiantil
Los SCR utilizados en la implementación del
convertidor CA-CC son de la empresa Philips, de la
serie BT151 para 800V y 12A.
Protecciones.
Las protecciones implementadas sobre los SCR
fueron, un snubber de apagado, formado por un
circuito RC colocado directamente sobre los
terminales del dispositivo, y además, una resistencia
colocada entre la compuerta y el cátodo con el
objetivo de limitar la corriente que se puede
establecer si se produce una variación brusca de
tensión entre los terminales de ánodo y cátodo que
pudiera generar una condición de disparo, estas
protecciones se observan en la figura 5.
~A
Cs
Rs
Rgk
Fig. 5. Snubber de apagado y resistencia de compuerta.
2.2. Etapa de aislación.
La etapa de aislación tiene por finalidad aislar las
señales provenientes del control y que serán
utilizadas por la etapa de potencia, para el encendido
de los SCR. De esta manera se consigue separar
galvánicamente una etapa de baja potencia (control)
de una etapa de alta potencia (SCR) (Compean et
al., 2000).
La aislación galvánica fue implementada con un
circuito formado por una red de optoacopladores
MOC3020, con resistencias limitadoras de corriente
tanto en la entrada de los optoacopladores, como a la
salida de estos. El circuito implementado se observa
en la figura 6.
Rin RgMOC
3020
BT 151
Pulsos de
disparo
Fig. 6. Circuito de aislación.
Como se puede observar en el circuito de la figura 6
la corriente de compuerta necesaria para el disparo
del SCR, circula entre los terminales del ánodo y de
la compuerta del dispositivo a través de una
resistencia limitadora Rg, que protege tanto al
dispositivo como al propio optoacoplador. De la
misma manera, Rin, cumple el rol de proteger al led
del MOC3020.
2.3. Etapa de control.
En esta etapa se realiza la generación de los pulsos
de disparo para los SCR según la tensión de salida
de CC requerida por el usuario.
En la figura 7 se muestra un diagrama en bloques del
esquema de control utilizado, para lograr los ángulos
de retraso en el disparo de los SCR. Este esquema de
control se explica brevemente a continuación.
Comparador
Vcontrol
A la etapa
de aislacion
+
-Generador
de rampa
Tensión de
Sincronismo
Voltaje
de CA
Generador
de pulsos
Fig. 7. Diagrama en bloques esquema de control.
A partir de la tensión de CA de entrada se genera
una rampa, sincronizada con los cruces por cero de
la señal de entrada. Luego se compara esta señal
rampa con una señal de referencia, y, en los
momentos donde la señal rampa supera la señal de
referencia, se genera el pulso de disparo
correspondiente (Mohan et al., 1995).
Para este esquema de control se utilizó un circuito
integrado (CI) de control de fase (TCA785)
desarrollado por Siemens, el cual permite realizar un
control del ángulo de disparo de los dispositivos
semiconductores de potencia.
En la figura 8 se observa la placa de control
implementada, y en la parte inferior derecha de la
misma, un circuito chopeador realizado con un CI
LM555 como oscilador astable, el cual permite
obtener a la salida de los TCA785 un tren de pulsos,
en lugar de un solo pulso de disparo para los SCR,
con la finalidad de disminuir las perdidas en el
dispositivo.
AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.
Área Estudiantil
Vcc=15V
TP
sincronismos
TCA 785
Oscilador astable
Entrada
sincronismos
Regulación
de rampas
TP
Disparos
Disparos
Vref. externa
Vref. interna
TP Vref.
Fig. 8. Placa de control implementada.
Para obtener las señales de sincronismo correctas se
implementó una configuración formada por tres
transformadores monofásicos en conexión Dy11
(Sobrevila, 2000), esto se hizo para poder obtener el
desfasaje necesario entre las tensiones de línea que
polarizan a los tiristores y las tensiones de fase que
se utilizan para el sincronismo en el control, dado
que entre ambas tensiones existe naturalmente un
desfasaje de 30°.
Sensado y visualización de la tensión de salida.
Como se observa en la figura 2, el sistema consta de
un lazo de sensado en la tensión de salida, el cual
también proporciona la medida de la magnitud de
esta tensión a través de un visualizador.
El sensado se realizó a través de un divisor resistivo
y un amplificador aislado de precisión ISO 124, con
el que se logra la correspondiente aislación
galvánica, en la figura 9 se observa el circuito de
sensado de la tensión de salida.
Carga
GND2
Divisor
resistivo
Vin
GND1
Amplificador
aislado
Rfija
Rvar.
Fig. 9. Circuito de sensado.
Para efectuar la visualización de la magnitud de la
tensión de salida, se implementó un circuito
conversor analógico digital (A/D) formado por dos
CI, el CA3162E y el CA3161E, y a su vez, a la
salida de estos se dispone de un conjunto de tres
displays de siete segmentos.
3. RESULTADOS DE SIMULACIÓN.
Con el propósito de evaluar el comportamiento del
convertidor CA-CC se procedió a simular el sistema
implementado con SIMULINK de MATLAB, esto
también se realizó con propósitos de comparación
con los resultados experimentales.
La tensión de línea utilizada en la simulación es un
sistema trifásico con valor eficaz de 120V, donde se
tuvo en consideración la inductancia propia de la
fuente de alimentación luego utilizada en la práctica.
Inicialmente se utilizó como carga una resistencia de
65Ω. En la figura 10 se muestra la tensión de salida
del convertidor para un ángulo de disparo de 0°, y
en la figura 11 la corriente de salida para el mismo
ángulo.
Fig. 10. Tensión de salida para un ángulo de 0°.
Fig. 11. Corriente de salida para un ángulo de 0°.
AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.
Área Estudiantil
En la figura 12, se observa la corriente de una de las
fases que alimentan al convertidor
Fig. 12. Corriente de fase.
La figura 13 muestra la tensión de salida del
convertidor para un ángulo de disparo de 60°.
Fig. 13. Tensión de salida para un ángulo de 60°.
En la figura 14 se aprecia la tensión medida entre los
terminales de ánodo y cátodo de dos SCR que
forman una misma pierna, ambas tomadas con el
ángulo de disparo establecido en 30°.
Fig. 14. Tensión ánodo-cátodo SCR, para ángulo de 30°.
En la figura 15 se muestra conjuntamente la tensión
de salida para un ángulo de disparo de 0° y la
tensión de alimentación de una de las fases.
Fig. 15. Tensión de salida para un ángulo de 0° (rojo) y
tensión de alimentación (azul).
Con propósito de analizar el comportamiento del
convertidor ante cargas inductivas, se procedió a
conectar una carga RL. Esta carga está formada por
una resistencia de 65Ω y una inductancia de 300
mH.
La tensión de salida del convertidor se muestra en la
figura 16 y en la figura 17 la corriente de salida,
ambas para un ángulo de disparo de 0°.
Fig. 16. Tensión de salida para carga inductiva y un
ángulo de 0°.
Fig. 17. Corriente de salida para carga inductiva y un
ángulo de 0°.
AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.
Área Estudiantil
En la figura 18 se muestra la corriente de una de las
fases que alimentan al convertidor. Se observa que
el efecto de la carga inductiva es el de aplanar los
picos de la señal que se ven en la figura 12.
Fig. 18. Corriente de fase.
4. RESULTADOS EXPERIMENTALES.
A continuación se presentan los resultados
experimentales del convertidor implementado. Para
obtener estos resultados se utilizó un osciloscopio
digital Tektronix THS710, perteneciente al LCA.
Se procedió a conectar un sistema trifásico de
tensiones de línea con valores eficaces de 120V,
otorgado por un autotransformador variable, con las
características que se muestran en la tabla 1.
Tabla 1. Características del autotransformador
Características Valor
Tensión de entrada 3 x 380[V]
Tensión de salida 3 x (0-440) [V]
Corriente Nominal 12[A]
Potencia 9 [kVA]
Inicialmente como en el caso de la simulación se
conectó como carga del sistema un banco de
resistencias de valor 65Ω-800W.
En la figura 19 se observa la tensión de salida para
un ángulo de disparo de 0° y en la figura 20 la
corriente de salida del convertidor.
Fig. 19. Tensión de salida para un ángulo de 0°.
Fig. 20. Corriente de salida para un ángulo de 0°.
La figura 21 muestra la corriente de la misma fase de
alimentación del convertidor mostrada en la
simulación.
Fig. 21. Corriente de fase.
En la figura 22 se observa la tensión de salida para
un ángulo de disparo de 60°
Fig. 22. Tensión de salida para un ángulo de 60°.
La figura 23 muestra la tensión entre los terminales
ánodo y cátodo para los mismos SCR que se
midieron en la simulación.
AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.
Área Estudiantil
Fig. 23. Tensión ánodo-cátodo SCR, para ángulo de 30°.
Se obtuvo la tensión de salida para un ángulo de
disparo de 0° y una de las tensiones de alimentación,
esto se muestra en la figura 24.
Fig. 24. Tensión de salida para un ángulo de 0° (rojo) y
tensión de alimentación (azul).
Observando la grafica de la figura 24 se aprecia el
efecto que produce en la tensión de salida, la
inductancia del autotransformador variable usado
como alimentación, resultado que es comparable con
la grafica de la figura 15, obtenida mediante
simulación, donde se tuvieron en cuenta las
características de este autotransformador.
Como se pudo comprobar, tanto la corriente de fase
en la entrada, como así también la tensión y
corriente a la salida del convertidor son similares a
las obtenidas por simulación ante una carga resistiva
pura.
Al conectar una carga RL, con similares
características a la utilizada en la simulación, se
obtuvieron, para un ángulo de disparo de 0°, las
curvas de las figuras 25, 26 y 27.
Fig. 25. Tensión de salida para un ángulo de 0°.
Fig. 26. Corriente de salida para un ángulo de 0°.
Fig. 27. Corriente de fase.
En la figura 26 y en la figura 27 se observa el efecto
de la carga inductiva, tanto sobre la corriente a la
salida del convertidor, como sobre la corriente de
una de las fases que alimentan al mismo.
5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
En este trabajo se implementó un rectificador
trifásico controlado, para ser utilizado con fines
didácticos en la enseñanza de la electrónica de
potencia.
Los resultados de simulación y experimentales
obtenidos permiten validar el correcto
funcionamiento del convertidor para diferentes
ángulos de disparo y tipos de cargas. De esta manera
es posible estudiar la influencia de estas cargas en el
funcionamiento del convertidor.
AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.
Área Estudiantil
El sistema implementado permite realizar
mediciones prácticas tanto en la etapa de control
como en la etapa de potencia, lo cual resulta útil
desde el punto de vista didáctico.
Como trabajo futuro se pretende sustituir la etapa de
potencia existente por una de mayor potencia y
también se propone realizar un control a lazo
cerrado de la tensión de CC.
6. AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue realizado íntegramente con el apoyo
del LCA de la Facultad de Ingeniería y Ciencias
Económico Sociales de la Universidad Nacional de
San Luis.
7. BIBLIOGRAFÍA
Compeán J. V. H., R. C. A. Lara, J. G. Moctezuma
(2000). Diseño didáctico de un rectificador
controlado trifásico. Facultad de Ciencias
(UASLP), San Luis Potosí, México.
García G. O., R. Leidhold, G. R. Bossio, C. H. De
Angelo, D. G. Forchetti (1996). Laboratorio
Modular para la Enseñanza de Electrónica de
Potencia y Control de Máquinas Eléctricas. 1º
Congreso Argentino de Enseñanza de Ingeniería,
CAEDI 1996, Vol.2, pp 428-434. Río Cuarto,
Córdoba, Argentina.
Mohan N., T. M. Undeland, W. P. Robbins (1995).
Power Electronics: Converters, Applications and
Design. John Wiley & Sons Inc., 2nd edition. New
York.
Rashid M. (2004). Electrónica de Potencia:
Circuitos, Teoría y Aplicaciones. Prentice Hall,
2da edición, México.
Sobrevila M. A. (2000). Maquinas Eléctricas.
Librería y Editorial Alsina. Argentina.
Storm (1969). Power Electronics, IEEE Spectrum,
USA.
Susin R. M., J. C. M. Lima, V. M. Canalli, Soares
dos Reis F. (1999). Laboratório de Ensino da
Eletronica de Potencia – Uma Experiencia
Construída Para e Pelos Estudantes. 5° Congresso
Brasileiro de Eletronica de Potencia, COBEP 99.
Brasil.
