Preinforme rectificador controlado

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Laboratorio de

“Rectificación Controlada


DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Laboratorio de Electrónica Industrial

PREINFORME

Rectificación Controlada”

Experiencia

Grupo 8 Lautaro Narváez

Juan Vargas Hernández

Fecha 01/11/2010

Revisado por


Industrial

”

Experiencia 2 Narváez Paredes

Juan Vargas Hernández

2010

Nota

Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010

1

1. PREINFORME

1.1 ¿Cuál es la secuencia de disparo de los tiristores del rectificador puente trifásico de la figura 1?

Figura 1. Topología del rectificador puente trifásico controlado

Tomando como referencia el momento en que la fase ¨a¨ llega a su punto de conmutación natural el primer tiristor que conduce es el T1 y por lo tanto debe ser el primero en ser disparado, luego la fase C se encamina a su peak negativo por lo que es el T6 el que debe ser disparado. Así sucesivamente los tiristores son disparados en el orden en que naturalmente conducirían tomando en cuenta los peaks positivos y negativos de cada una de las fases. Por lo tanto el orden es el que sigue: T1 T6 T2T4T3T5

1.2 ¿Cómo se obtiene una señal de sincronismo adecuada para esta configuración?

Una señal de sincronismo se puede obtener comparando el voltaje de una fase a tierra con tierra, de allí a esta señal se le aplica un retardo correspondiente a 30+α grados (el tiempo que esto signifique dependerá de la frecuencia). Otra manera es tomando el voltaje de cada fase con respecto a tierra, en cada paso por 0 de esta señal generar un diente de sierra luego comparar este diente de sierra con una señal de control que definirá el ángulo de disparo, y con cada cando de subida de la señal de control generar un pulso para controlar el correspondiente tiristor. El pulso debe ser diente por medio y de cada señal se obtendrá el sincronismo para controlar 2 tiristores (la parte negativa y la positiva). La figura 2 ilustra este mecanismo.


2

Figura 2. Tensiones fase-neutro.

1.3 ¿A partir de qué punto dentro del ciclo del voltaje de alimentación se mide el ángulo de disparo (α)? Explique con un gráfico.

El ángulo de disparo debe ser medido desde el punto de conmutación natural que tendría un rectificador no controlado. Este es el punto donde una fase pasa a tener mayor valor de voltaje que otra que es a los 30 grados desde el paso por cero de la señal. En la figura siguiente se puede apreciar un ejemplo con un anulo de conmutación de 45 grados.

Figura 3. Tensiones fase-neutro.

1.4 Deduzca en forma matemática qué relación tiene el ángulo de disparo con el voltaje de carga. ¿En que afecta el ángulo de disparo al factor de potencia?

El voltaje medio de salida sin rectificar es el siguiente


3

1

3

√2

3√2

Voltaje de salida en realidad es:

3⁄

Siendo “A” el área que se le recorta a la señal antes del disparo, esto se puede apreciar en la figura 2

! √2"#$ Entonces: % √2"#$ #$

√21 &'( Haciendo las sustituciones correspondientes:

3√2 √21 &'(

3⁄ 1.35&'( ∗ &'(

Respecto al factor de potencia podemos observar en la figura 3 que el factor de desplazamiento coincide con el coseno del ángulo de conmutación:

Figura 4. Tensiones en cada fase, corrientes por los tiristores 1 y 4, y corriente por la fase a. Un análisis de Fourier de las corrientes de entrada (de 3 niveles) entrega que:

,- ./012.012

3

Por lo tanto:


4

-3 ,- ∗ ,-3 3 &'(

1.5 ¿Cuál es el mínimo y máximo ángulo de disparo para una carga R y para una carga L con L → ∞? ¿Qué es lo que determina estos valores mínimos y máximos?

El mínimo ángulo de disparo para cualquier carga es 0, que corresponde al ángulo de conmutación natural para un rectificador no controlado. Las limitaciones al ángulo máximo de disparo están dadas por la corriente que circula por los tiristores que no puede ser negativa pues estos últimos se comportan como diodos una vez que son excitados por el gate. Para una carga resistiva la corriente será negativa cuando el voltaje sea negativo, por lo que el máximo ángulo de conmutación será:

Figura 4. Tensión de salida, ángulo 60º

Acá se puede observar que pasado los 60 grados el voltaje pasa a ser negativo por lo que la corriente en una resistencia se vería cortada. Aún con la corriente recortada podría se podría seguir aumentando el ángulo volviendo la tensión promedio de salida cada vez menor y la corriente mas recortada hasta los 150 grados en los cuales la corriente sería totalmente cortada y la tensión promedia se torna 0. Para una carga RL la corriente se torna negativa cuando el voltaje es negativo, esto ocurre después de los 90 grados donde la tensión promedio es 0:

Figura 5. Tensión de salida, ángulo 90º

Para una carga Linf. La corriente esta 90 grados atrasada a la tensión por lo que aún teniendo tensión negativa la inductancia forzaría la conducción en dirección positiva. El máximo ángulo de conmutación es hasta donde los tiristores pueden ser enganchados que es a los 180 grados.


5

Como se tiene tensión negativa y corriente positiva la potencia de salida es negativa por lo que el rectificador estará funcionando en modo inversor:

Figura 6. Tensión de salida, ángulo 180

Además hay que tener en cuenta el efecto de variar el ángulo de conmutación en la forma de la tensión de salida. En la siguiente imagen se muestra este efecto mostrando las magnitudes de los armónicos en la tensión de salida

Figura 7. Armónicos normalizados de la tensión de salida en función del Angulo de disparo

para el rectificador trifásico controlado con carga igual a la fuente de corriente

1.6 Simule un rectificador puente trifásico totalmente controlado con ayuda del software PSIM para una carga RL. Utilice tensiones de entrada de Vll = 380[VRMS], inductancias de línea de Ls = 10[µH] y valores de la carga de R = 85[Ω] y L = 50[mH]. Presente las tensiones y corrientes de entrada y salida en estado estacionario para ángulos de disparo α = 30° y α = 90°.

A continuación se presentan las formas de ondas obtenidas en estado estacionario de las simulaciones realizadas en PSIM.

a) Para un angulo de 30 grados:


6

Figura 8. Tensión por la fase a y de salida

Vsalida = 450[v] rms La tensión de salida es siempre mayor que la tensión en una fase pues está compuesta de las tensiones a través de las 3 fases. La señal de saluda esta recortada por el ángulo de conmutación y se compone de 6 pulsos por ciclo, como era de esperarse.

Figura 9. Corriente por la fase a y de salida

La corriente de entrada es de tres niveles porque es la resta entra las corrientes que atraviesan 2 tiristores.

b) Para un ángulo de 90 grados:

Figura 10. Tensión en la fase “a” y tensión de salida

Vsalida= 112.03[v] rms


7

En la forma de onda de la tensión de salida se observa la señal recortada que solo pasa bajo el 0 por el efecto de la inductancia de la carga pues si fuera puramente resistiva estaría cortada en 0.

Figura 11. Corriente entrada por la fase “a” y corriente de salida

La corriente de salida ahora presenta momentos en 0 a causa de la tensión 0 que se presenta en la carga por la presencia de la carga resistiva con tensión negativa.

1.7 Calcule la potencia transferida a la carga, el factor de potencia, el factor de distorsión y el THD en cada uno de los casos. Comente los resultados.

La potencia activa se puede calcular como el producto de la tensión media entregada a la carga por la corriente media entregada a la carga.

- .44 ∗ 44 El factor de potencia es el cociente entre la potencia activa y la potencia aparente. La potencia aparente responde al producto entre la corriente de entrada rms y el voltaje de entrada rms:

" 3 ∗ 56 ∗ .56

-3 -"

El THD es la razón entre la suma de los cuadrados de las corrientes armónicas de entrada y la corriente fundamental de entrada:

7, √.56 .156.156

El factor de distorsión se puede calcular como:

,3 -3,-3 .156

.56

Siendo DPF= cos(α)


8

Tabla 1. Parámetros para distintos ángulos de conmutación

Parámetro 30 90 PF 0.83 0.15 THD 30% 95% P 2336[w] 26.7 [W] DF 0.95 0.73

De estos resultados se puede deducir que para un ángulo de 30 grados más del 80% de la potencia es potencia activa y la corriente de entrada presenta un 30% de distorsión armónica pues la corriente total en gran medida corriente fundamental. Mientras que para un ángulo de conmutación mayor como 90 la mayor parte de la potencia es potencia reactiva que no realiza trabajo, solo un 15% es potencia activa y Presenta un 95% de distorsión armónica lo que significa que la corriente fundamental de entrada es pequeña en comparación con las corrientes armónicas. Estos resultados ya podían preverse en la figura 5.

1.8 Simule el rectificador anterior para carga R sin inductancia de línea y luego con una inductancia de Ls = 3,7[mH]. Muestre las tensiones y corrientes de entrada y salida en estado estacionario para α = 30. Comente los resultados obtenidos. Calcule la potencia transferida a la carga, el factor de potencia, el factor de distorsión y el THD en cada uno de los casos. Compare con los resultados anteriores.

a) Formas de onda del rectificador trifásico controlado con ángulo de conmutación de 30 grados, carga R y sin inductancia de línea

Figura 12. Tensión en la fase “a” y tensión de salida

Vsalida= 450[v] rms

Figura 13. Corriente entrada por la fase “a”


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b) Formas de onda del rectificador trifásico controlado con ángulo de conmutación de 30 grados, carga R e inductancia de línea

Figura 14. Tensión de salida y tensiones de entrada

Figura 15. Corrientes por cada fase.

Figura 16. Corriente en la carga.


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Tabla 2. Parámetros para el rectificador controlado con ángulo 30

Parámetro sin Llinea con Llinea PF 0.83 0.81 THD 34.5% 37.6% P 2312.5[w] 2263 [W] DF 0.95 0.936

Al observar los resultados podemos darnos cuenta que existe una pequeña disminución en la potencia tanto en la activa como en la reactiva entregada a la carga, pero a cambio la inductancia de línea suaviza los bordes de las formas de onda, disminuyendo las componentes armónicas que provienen de la conmutación de los semiconductores.

1.9 ¿Cómo afecta el inductor de línea al valor mínimo y máximo del ángulo de disparo?

Si no existiese inductancia de línea las conmutaciones de los tiristores serian instantáneas:

Figura 17. Conmutación tiristores

Pero al existir inductancias de línea se disminuyen las pendientes de estas conmutaciones volviendo finito y medible el tiempo que demoran en conmutar:

Figura 18. Conmutación de los tiristores con Llinea

Siendo la suma siempre la misma durante la conmutación. Esto provoca una disminución de la tensión entregada a la carga y una rampla en la conmutación que se expresa en la tensión de salida como una muesca:


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Figura 19. Tensiones de salida

Figura 20. Muesca en la tensión de salida

Esto aumenta el mínimo ángulo de conmutación y disminuye el máximo. Un análisis matemático entrega la siguiente expresión para calcular el ángulo de conmutación µ:

ll

Ds

V

IL

2

2)cos()cos(

ωαµα −=+

1.10 Explique que es un circuito snubber, para qué sirve y cómo funciona.

El snubber (o también amortiguador) es un circuito utilizado para la protección de componentes o partes de un sistema eléctrico. En este caso, se encarga de prevenir varios fenómenos en los tiristores:

Limita voltaje durante el transiente de apagado Limita corriente durante el transiente de encendido

Limita el cambio de voltaje ( )dvdt en el apagado o durante el bloqueo

Limita el cambio de corriente ( )didt en el dispositivo durante el encendido

Generalmente, los circuitos snubbers son utilizados en sistemas eléctricos con carga inductiva, donde una interrupción repentina de la corriente circulante produce un aumento en la tensión del


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dispositivo. Dado que este aumento en el voltaje es repentino, puede provocar daños en el dispositivo y producir fallas en el sistema. Uno de los snubber que más se utiliza es el del tipo RC, que consiste en una resistencia y un condensador en paralelo al dispositivo, como se ilustra en la siguiente figura

Figura 2. Conexión típica de un snubber RC

La idea principal es evitar los cambios repentinos de voltaje, ya que al tener un condensador en paralelo, éste no permite variaciones bruscas en la tensión. Para el diseño del snubber se utilizan las siguientes ecuaciones para cada elemento

20 LL

d

VR

I=

0.6 d

LL

IC

V=

1.11 Si sólo puede medir el voltaje de línea y el de un tiristor, ¿Cómo puede determinar el ángulo de disparo? Explique usando un gráfico.

Existen dos formas para determinar el ángulo de disparo a partir del voltaje de línea y el de un tiristor. Para ello, en la siguiente figura se muestra el voltaje de línea Vac y el de ánodo-cátodo del tiristor 1, Vak, que se obtiene midiendo entre la fase a y la barra positiva de puente.


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Figura 3. Medición ángulo de disparo

La primera forma consiste en medir el punto de conducción natural (PCN) del tiristor 1 y el instante en que se dispara el tiristor (D). La diferencia entre estos dos puntos corresponde al ángulo de disparo temporal. El detalle es que para poder medir el PCN, se debe contar con el voltaje de línea que precede la secuencia, en este caso Vab. Debido a lo anterior, es posible considerar un segundo método, en el cual se debe medir donde el tiristor 1 bloquea y hace un cruce por 0[V], hasta que el mismo comienza a conducir. El tiempo en que esto se produce corresponde al ángulo de disparo (temporal). Para obtener la medida en grados sexagesimales, basta con hacer la conversión mediante

[ ] [ ][ ]360

20

ms

ms

αα ° = °⋅

1.12 En el laboratorio usted cuenta con un módulo de disparo FC36M cuyo núcleo central está comandado por un microcontrolador PIC 16C74. Estudie las características y configuración de la placa en base al manual disponible en la página web. Resuma las principales características de la placa.

El módulo de disparo FC36M cuenta con las siguientes principales características

• Transformador de 380/415 [V] ac, 50/60[Hz]. • Voltaje en el secundario de 20 [V] ac, 50/60[Hz]. • Voltaje de aislación 4000 [VRMS].

• Consumo de corriente máxima 300 [mA].

• Entradas de control análogas de 0-5[V] y 4-20[mA].


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• Entradas de control digital de 5-25 [Vdc] (Posee optoacoplador para control digital)

• Rampa de control de encendido ajustable de 0-30 [s].

• Selección de cargas (resistiva o inductiva) mediante el switch 2. • Para el control de 6 tiristores, el switch 2 debe estar encendido.

• El microprocesador PIC16C74, genera los pulsos de control de los tiristores con un espaciamiento de 60°.

Las aplicaciones más comunes de esta placa son

• Rectificadores controlados semi-puente o puente completo • Fuentes de poder • Control de motores AC y DC • Partidores suaves • Generadores de inducción • Regulación de tensión AC • Control de transformadores trifásicos • Entre otras

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