Rectificador controlado

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  • Rectificador Controlado Monofsico de Onda Completa

    Circuito de control de cruce por Coseno.

    Resumen En la siguiente prctica se realizar el diseo del circuito de control de un rectificador monofsico de onda

    completa tipo puente. El cual consiste en tomar una muestra de

    la seal que se entrega al rectificador y darle un tratamiento

    adecuado, para compararla con un voltaje de control continuo y

    producir as los pulsos de disparo necesarios para activar

    correctamente los semiconductores del puente rectificador, en

    este caso, SCRs.

    Palabras claves Comparador, Cruce por coseno, Derivador,

    Optoacoplador.

    I. INTRODUCCION

    Existen muchas aplicaciones en donde es necesario el control

    del voltaje en la carga; utilizando tiristores en lugar de diodos,

    en estos circuitos es posible, como se ver, regular el valor

    medio de la tensin de salida variando el desfase entre el paso

    por cero de la tensin de red y el disparo de los tiristores

    (ngulo de disparo, simbolizado por ).

    Existe, por tanto, un circuito de control, que actuando sobre el

    instante de disparo de los tiristores regula la conversin. En

    sta prctica analizaremos los circuitos monofsicos y adems

    el circuito de control ser por cruce de coseno, en el cual es

    importante tener en cuenta algunos aspectos para una buena

    respuesta en la carga. Veamos a continuacin el desarrollo

    paso a paso de la prctica.

    II. OBJETIVOS

    Disear y construir un circuito, para el control del ngulo de

    conduccin de los SCR, de un puente rectificador monofsico

    de onda completa, por el mtodo rampa-escaln (lineal o

    coseno).

    El voltaje en la carga se debe controlar con una seal Vc que

    varia entre 0 y 10 V.

    Se utiliza una carga resistiva-inductiva. Para reducir los

    riesgos de choque elctrico, se utiliza un transformador

    reductor 120/25V, 60 Hz , para el circuito de potencia

    .

    III. ANLISIS PRELIMINAR

    1. Teora de operacin del puente rectificador controlado

    monofsico.

    En este montaje, los diodos que formaban el puente

    rectificador no controlado se sustituyen por tiristores tipo

    SCR, haciendo posible el control de fase de una onda

    completa de la seal de entrada. El circuito se puede ver en la

    figura 1.

    Fig. 1 Rectificador monofsico controlado tipo puente

    Fig. 2. Formas de onda del puente rectificador totalmente

    controlado, con carga resistiva

    Los tiristores T1 y T4 conducirn durante el semiciclo positivo

    Geiner Giovanny Barbosa, Germn Albeiro Pealoza, Oscar Mauricio Lpez

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    Circuito de control de cruce por Coseno.

    de la entrada, y los tiristores T2 y T3 en el negativo. Eso

    quiere decir que los tiristores se dispararn de dos en dos con

    un ngulo de fase retardado a partir del paso por cero de la

    tensin de entrada. La figura 2 muestra las formas de onda de

    la corriente de entrada y de la tensin de salida del

    rectificador.

    La componente media de esta forma de onda se determina a

    partir de:

    < >=1

    =

    2

    (cos)+

    ()

    Por lo tanto, la corriente media de salida es

    =

    =2

    (cos) ()

    La potencia entregada a la carga es una funcin de la tensin

    de entrada, del ngulo de disparo y de los componentes de

    carga. Para calcular la potencia en una carga resistiva se

    utilizar = 2, donde

    = 1

    2 +

    ()

    La corriente eficaz del generador es igual a la corriente eficaz

    en la carga.

    Con carga Rl y una corriente discontinua, se requiere hacer un

    anlisis diferente.

    Para wt=0 y con corriente de carga nula, los SCR T1 y T4

    del rectificador en puente estarn polarizados en directa y T2 y

    T3 se polarizaran en inversa cuando la tensin del generador

    se haga positiva. T2 y T4 se activaran cuando se les apliquen

    seales de puerta para wt=. Cuando T1 y T4 estn activados,

    la tensin de carga es igual a la tensin del generador. Para

    esta condicin el circuito es idntico al rectificador controlado

    de media onda y la funcin de la corriente ser

    = ( )()/ ()

    para

    donde

    = 2 + 2

    = 1

    =

    La funcin de corriente anterior se hace cero en = . Si < + , la corriente ser nula hasta = + , momento en el cual se aplicarn seales de puerta a T2 y T3, que

    quedarn polarizados en directa y comenzarn a conducir. La

    figura 4 ilustra este modo de operacin, denominado corriente

    discontinua:

    = + corriente discontinua

    El anlisis del rectificador controlado de onda completa en

    el modo de corriente discontinua es idntico al del rectificador

    controlado de media onda, pero el periodo de la corriente de

    salida es radianes en lugar de 2 radianes.

    2. Teora de operacin del circuito de control, del disparo del

    SCR:

    a. Circuito de control por cruzamiento cosenoidal

    Este circuito recibe el nombre de circuito de disparo por

    cruce de coseno, y su diagrama a bloques puede representarse

    mediante la figura 6

    Fig. 3. Corriente discontinua

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    Circuito de control de cruce por Coseno.

    El principio de funcionamiento consiste en monitorear la

    seal de entrada mediante un transformador reductor, para

    obtener una muestra de la fase apropiada.

    Esta seal de muestra del senoide de entrada:

    = sin ()

    Se deriva para obtener una funcin coseno. En este

    momento tenemos, a la salida del defasador:

    = cos ()

    En donde Vm es la magnitud de la seal de entrada y Vp es

    la magnitud de la seal de salida del transformador reductor.

    Si la seal de la ecuacin (12) se invierte y luego ambas, la

    seal positiva y negativa se acondicionan para que tengan

    un offset de voltaje de directa de la misma magnitud de la

    seal de salida del transformador, de tal forma que la salida

    resultante est por encima del nivel de tierra, se formarn las

    seales:

    1 = cos + ()

    y

    2 = cos + ()

    Y adems si la seal de control Vc se hace variar solamente

    en el intervalo definido por 0

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    Circuito de control de cruce por Coseno.

    A continuacin veremos paso a paso el diseo del circuito.

    a) Alimentacin.

    Para el circuito se utiliza un transformador 120/25/12,5 V.

    Los amplificadores operacionales (LM 741) se van a alimentar

    con 15 voltios lo que requiere que se haga un divisor de

    tensin al transformador para asegurar mxima excursin,

    adems el voltaje de comparacin va a variar entre 0 y 10 v.

    b) Circuito para desfase de 90

    Se requiere que la seal sea cosenoidal por tanto se realiza el

    desfase de 90 a la entrada por medio de un filtro RC en

    modo seguidor. Se hicieron los siguientes clculos:

    =

    = 2 tan1 231

    Se asume el valor de C1 = 0.1 F. Sabiendo que fo = 60 Hz y =90, entonces:

    3 =tan

    2

    21= 26.53

    c) Adecuacin de la seal

    Se debe tener una seal con excursin de 10 V, ya que Vc

    vara entre 0 y 10 V, por lo tanto la onda se divide entre dos y

    se le resta Vcc/2 = 5 V, lo cul se hace con un divisor de

    voltaje.

    Como se deben tener dos pulsos, uno desfasado 180 del otro,

    se debe generar una seal positiva y otra negativa, es decir,

    desfasadas 180 de igual manera. Por tanto se requiere de un

    inversor para el desfase.

    d) Voltaje de referencia

    Esta seal continua debe variar entre 0 y 10 V, por lo que se

    utiliza un potencimetro de 500K.

    e) Comparador

    Se utilizan dos circuitos comparadores, uno para el disparo en

    wt = comparando la salida del sumador inversor con el

    voltaje de referencia, y el otro para el disparo en wt = + de

    referencia. El voltaje a la salida ser igual a Vcc durante el

    tiempo en el que V+ es mayor que V-, por lo que se genera

    una seal escaln.

    f) Derivador

    Debemos tener en cuenta el diseo de ste circuito para un

    buen pulso que se va a entregar al SCR.

    El capacitor conduce hasta que se cargue totalmente, donde se

    abrir y no permitir ms el paso de la corriente hacia la

    resistencia. Se tiene que:

    =

    Si tg = 10 S

    = 1 =

    1 = 1 = 1

    1 =

    = = 10

    = 10 = .

    R = 100

    g) Circuito de Control

    Para aislar el circuito de control con el de potencia utilizamos

    optoacopladores MOC 3010. Colocamos diodos entre

    compuerta y ctodo del SCR para la proteccin de ste.

    Adems insertamos un diodo de rueda libre en antiparalelo

    con la carga para la reduccin del pico negativo y garantizar la

    descarga de la bobina.

    2. Dibujar un diagrama de bloques que incluya todas las

    etapas del circuito de control y del circuito de potencia.

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    Circuito de control de cruce por Coseno.

    Fig. 5. Diagrama a bloques del circuito de disparo por cruce

    de coseno

    3. Dibujar el diagrama circuital del circuito de potencia,

    utilizando el transformador de 120/12.5/12,5V,60hz.

    Anexo 1.

    4. Simular en SPICE, la operacin del circuito de potencia

    para = 30, 60, 90