RECTIFICADOR MONOFASICO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA

CIRCUITO DE CONTROL POR CRUZAMIENTO CON RAMPA

ELBER GOMEZ TORBAELBER GUDO

ROSA MELANO

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDERINGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

RESUMEN: Los rectificadores controlados a frecuencia se basan en circuitos análogos a los rectificadores no controlados, pero utilizando SCRs en lugar de diodos, en estos   circuitos es posible regular el valor medio de la tensión de salida variando el desfase entre el paso por cero de la tensión de red y el disparo de los. Existe, por tanto, un circuito de control, que actuando sobre el instante de disparo de los SCRs regula la conversión.El circuito de control modifica el ángulo de disparo para mantener el valor medio de la tensión de salida, la tensión de entrada o de la corriente tomada a la salida del rectificador. 

ABSTRACT: (lo mismo de arriba en Inglés)

PALABRAS CLAVES: Monofásico, Rectificador Controlado, SCRs, Cruzamiento por rampa, Optoacoplador, Puente.

I. INTRODUCCIÓN

Los circuitos rectificadores con diodos realizan la conversión de la tensión alterna en tensión continua. Pero este tipo de rectificadores no nos permiten controlar el valor promedio de voltaje en la carga, puesto que el diodo es un rectificador no controlado; dado que en la industria existen algunas aplicaciones en las que es necesario dicho valor promedio resulta de sumo interés el estudio de los rectificadores controlados, los cuales permiten la regulación del voltaje en la carga en función del ángulo de disparo α de los thyristores, que pueden ser controlados a través de un circuito de encendido.

Un rectificador controlado monofásico se puede describir como dos compuertas de diodos OR activados por una señal de control en las cuales la salida asume el valor de la entrada más alta.

II. OBJETIVOS

a. OBJETIVO GENERAL: Diseñar y construir un circuito, para el control del ángulo de conducción de los SCR, de un puente rectificador monofásico de onda completa, por el método rampa-escalón (lineal o coseno). El voltaje en la carga se debe controlar con una señal Vc que varía entre 0 y 10 V. Se utiliza una carga resistiva-inductiva. Para reducir los riesgos de choque eléctrico, se utiliza un transformador reductor 120/25V, 60 Hz, para el circuito de potencia.

b. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Diseñar e implementar el circuito de la etapa de control por cruzamiento con rampa.

Diseñar e implementar la etapa de acoplamiento del circuito de control al rectificador.

Realizar las respectivas simulaciones del circuito en el software de simulación Orcad.

Comparar los datos obtenidos en la simulación con los datos obtenidos en la implementación del circuito físico.

III. MARCO TEÓRICO

a. TEORÍA DE OPERACIÓN DEL PUENTE RECTIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO

En el siguiente 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 señal de entrada. El circuito se puede ver en la figura 1.

Figura 1. Rectificador monofásico totalmente controlado.

[1] Convertidores CA/CC – Rectificadores. tec.upc.es

Los tiristores T1 y T4 conducirán durante el semiciclo positivo de la entrada, y los tiristores T2 y T3 en el negativo. Eso quiere decir que los tiristores se dispararán de dos en dos con un ángulo de fase α retardado a partir del paso por cero de la tensión de entrada. La figura 2 muestra las formas de onda de la corriente de entrada y de la tensión de salida del rectificador.

Figura 2. Formas de onda del puente rectificador totalmente controlado, con carga resistiva.

[1] Convertidores CA/CC – Rectificadores. tec.upc.es

Tensión media en la carga:

V dc=2

2π∫α

π

V max senωt dω=¿¿

1πV max (−cosπ+cosα )=¿

V max

π(1+cosα )

Para α=0°, la tensión media en la carga será:

V dc=2V max

π

Tensión eficaz en la carga:

V rms=√ 12π

∫α

π

(V max senωt)2dwt=¿

V max

√2√π √[ (π−α )+ 12sen 2α ]

Intensidad media en la carga:

I dc=Imaxπ

(1+cosα )

b. TEORÍA DE OPERACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL, DEL DISPARO DEL SCR

Los tiristores se operan como conmutadores biestables, para muchas aplicaciones se puede

suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exigen ciertas características y limitaciones ya que son fabricados por difusión.

Operación: Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, la unión J1 y J3 tienen polarización directa o positiva, la unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga al ánodo y al cátodo. Se dice entonces que el tiristor esta en condición de bloqueo directo, si el voltaje ánodo- cátodo se incrementa a un valor muy grande la unión J2 se polariza inversamente y entrará en ruptura.

Figura 3. Curva característica de voltaje-corriente de un tiristor (SCR).

[2] Circuitos de disparo, tiristores, gdcjorgeprueba.wikispaces.com

Tiristores de control de fase: Operan a la frecuencia de línea y se desactivan por conmutación natural también conocidos como SCRs. Los tiristores utilizan una compuerta amplificadora, en la que se dispara un tiristor auxiliar mediante una señal de compuerta al tiristor principal.

Circuito de control por cruzamiento con rampa:

El circuito de control debe proveer una característica de control lineal, para que la respuesta del control no dependa del punto de

operación del convertidor. El pulso de disparo de los tiristores, se obtiene de comparar una señal con un voltaje de control.

Figura 4. Señal de disparo.

Unidad IV, Guías de electrónica de potencia I, Ing. Germán Gallego.

El ángulo de disparo α tiene como referencia, el ángulo en el cual conduce el rectificador controlado, si se sustituyen los SCR por diodos. Para los rectificadores monofásicos α=0 ocurre en wt=0 y α puede variar teóricamente entre 0 y π.

El control tipo rampa obtiene el pulso de disparo, de la comparación de un voltaje diente de sierra (vst=Kt) con un voltaje continuo de control (Vc) de magnitud variable (Figura 5)

El voltaje diente de sierra (Figura 6) debe iniciar en wt=0 (para obtener el pulso de disparo en α=0, al compararlo con Vcontrol=0 y debe terminar con una amplitud VST max en wt=π.

Para que el voltaje diente de sierra inicie en wt=0, el generador diente de sierra se debe activar mediante un detector de cruce por 0, del voltaje de la fuente reducido (voltaje de sincronización). Este se obtiene mediante un transformador o un divisor de voltaje.El ángulo de disparo (α) se obtiene de

α=180 °V control

V STmax

Figura 5. Generador diente de sierra

Unidad IV, Guías de electrónica de potencia I, Ing. Germán Gallego

Figura 6. Forma de onda de la rampa y los pulsos

Unidad IV, Guías de electrónica de potencia I, Ing. Germán Gallego

Conmutación ideal del rectificador tipo puente monofásico

Figura 7. Conmutación Ideal

[3] Rectificadores Controlados, www.gte.us.es

Figura 8. Puente Monofásico Controlado conmutación ideal

[3] Rectificadores Controlados, www.gte.us.es

Valor medio de la tensión rectificada del puente monofásico

Figura 9. Valor Medio de la Tensión Rectificada

[3] Rectificadores Controlados, www.gte.us.es

V dα=1π∫α

π+α

√2V s sinωt dωt=¿

2√2πV s cosα=0.9V s cosα

Figura 10. Puente Monofásico Controlado

[3] Rectificadores Controlados, www.gte.us.es

P=I d ( 1T∫0

T

V d dt)=0.9 I dV s cosα

Efecto de α sobre la componente fundamental de Is en el rectificador puente monofásico

Desarrollando en serie de Fourier se obtiene para la componente fundamental de la corriente por la línea (IS):

I s1=0.9 I d(Valor eficaz)I S1M=0.9√2 I d=1.27 I d (Valor pico)

Figura 11. Curvas características del ángulo α sobre Is

Para distintos valores de α:

[3] Rectificadores Controlados, www.gte.us.es

Sincronización del circuito de disparo con el paso por cero de Vs

Figura12. Sincronización del disparo con el paso por cero de VS.

[3] Rectificadores Controlados, www.gte.us.es

IV. PLANIFICACIÓN

1. A partir del diagrama de bloques propuesto que se adjunta, se pide diseñar un circuito de control, utilizando el método rampa-escalón (lineal o cosenoidal) utilizando componentes discretos analógicos.

Figura 13.Diagrama de bloques del circuito de control

V (t): Señal cosenoidal de la fuente de valor reducido o rampa sincronizada con la fuente alterna de potencia.

Vc: Señal de control DC variable entre 0 y 10 V, para que el ángulo de conducción teórico varíe entre 0 y 180 grados.

Lo primero en el diseño de nuestro circuito fue el transformador reductor para adecuarlo a un voltaje útil para la alimentación de las siguientes etapas como Vcc, además de generar nuestras señales de control y de comparación.

Utilizamos un transformador reductor de 120V/9V, que nos generan un Vcc de 12,72V y también unos niveles Va y Vb de 6,5V, para la generación de nuestras señales de control, en esta etapa usamos diodos rectificadores normales y en los divisores de voltaje para Va y Vb resistencias del mismo valor para obtener la media de tensión y en valores de Kóhmios para el control de la corriente.

V cc=12,72vV=0.5 (comparación)

V=V cc∗R1

R1+R2

R1=Ω

0.5=12,72∗R1R1+R2

R2=Ω

Para el primer generador mediante un divisor de voltaje obteníamos 0.5V y calculamos los demás.Grafica de salidas Va y Vb

Figura 14. Generación de Va y Vb

Etapa de generación de voltajes Va y Vb, Proteus.

Los valores de Va, Vb, o,5 y del Vcc se usaron en la siguiente etapa (comparador) para su funcionamiento. Va y Vb manejaban cada uno un ciclo. En la siguiente figura 15 podemos ver el comparador utilizado y su salida.

Salida del comparador.

Figura 15. Comparador

Etapa de comparación, Proteus.

Podemos ver a la salida de esta etapa la forma de los pulsos y que cada comparador maneja un ciclo de la señal.

Para la siguiente etapa usamos una configuración con transistor como integrador, que nos genera una señal de rampa y es la que nos detecta el cruce por cero. De nuevo ocurre para los dos ciclos.

Para este diseño nos basamos teniendo en cuenta como criterio diez veces la corriente de colector con respecto a la de base y fijando una resistencia de base fija para los dos ciclos de 1 K ohmio.

Para el cálculo de C y de la RC1, elegimos primero los capacitores que tuvieran exactamente las mismas características y luego mediante una malla y criterios de

diseño encontramos las resistencias. Estos datos nos dieron unos valores de:

C=0.1 μFR=Ω

Salida del comparador: El pulso de disparo para cada SCR debe tener una duración específica, necesaria para una correcta activación de estos dispositivos. Para ello, la señal anteriormente generada se somete a una etapa RC, para producir así el pulso de disparo adecuado.

Dicha etapa RC es implementada con un diodo en paralelo para eliminar los valores negativos de la señal.

Los criterios de diseño tenidos en cuenta en esta etapa fueron los siguientes:

T=16.666msT2=8.333ms

T2= RC

5

R=8.333ms∗5C

Además el transistor se usó en modo de conmutación para esta aplicación. Conociendo el capacitor hallamos RLa señal de salida de la etapa RC es muy débil en corriente, y requiere de una etapa de reforzamiento antes de entrar a la etapa de acoplamiento.

Esto se logra mediante amplificadores operacionales en configuración seguidor de voltaje, el cual nos dará el pulso de activación de las compuertas de los SCRs esperado.

Como la señal de rampa de salida no presentó la linealidad en la pendiente que esperábamos entonces variamos el valor de la resistencia hasta un valor que nos proporcionó esta linealidad que necesitábamos.

Esto debido a que la pendiente está dada por RC y entre mayor sea el valor de esta relación mayor será la pendiente por lo que su región

lineal será mayor facilitándonos obtener lo que deseamos.

Figura 16. Generador de rampa.

Etapa de generación de pulsos, Proteus

Al conectar el condensador entre las uniones emisor y colector del transistor, esta configuración permite que la parte de pendiente negativa de la rampa sea suprimida, y por consiguiente la forma de salida sea solamente la parte de pendiente positiva de la rampa.

El generador de onda cuadrada es implementado utilizando el operacional LM741, el cual se usa debido a que se necesita para obtener los valores tanto positivos como negativos de la onda.

La salida de cada uno de los generadores de onda, la cual es una señal cuadrada, controla la generación de un voltaje de rampa que es obtenido a partir de un circuito integrador.

La señal de los comparadores actúa como un reset del circuito integrador, de manera que cuando un voltaje entre línea y línea es positivo, el voltaje de rampa se activa. El circuito fue implementado con amplificadores operación y BJTs.

Para nuestra siguiente etapa, que era otro comparador, que nos permitía generar pulsos de ancho variable y que daba la señal de disparo (mediante la comparación entre la rampa y la señal de control), utilizamos un

divisor de voltaje con un potenciómetro que nos permitiera variar el nivel de comparación.

Figura 17. Comparador generador de pulsos con ancho variable

Etapa comparador que genera pulsos de ancho variable, Proteus

Amplificador seguidor:

Se presenta el acoplamiento entre la etapa de control y la etapa de potencia, el cual se realizó mediante el optoacoplador MOC3010.Figura 18. Acoplamiento óptico

Etapa de acoplamiento óptico, Proteus

Este acoplamiento se hace para aislar la etapa de control con la etapa de potencia y así evitar posibles daños en el circuito.

La siguiente parte del circuito es, finalmente, la etapa de potencia que está construida por 4 SCRs, junto a la etapa de acoplamiento.

2. Dibujar un diagrama de bloques que incluya todas las etapas del circuito de control y del circuito de potencia.

Figura 19. Diagrama de bloques

Etapas del circuito de control y de potencia, Microsoft Word 2010.

3. Dibujar el diagrama circuital del circuito de potencia, utilizando el transformador de 120/12.5/12,5V,60hz.

Figura 20. Circuito de potencia

Montaje del circuito de potencia realizado en Orcad PSPice. 16.3.

4. Simular en SPICE, la operación del circuito de potencia para α= 30, 60, 90 y 120 grados.

V. EJECUCIÓN

1. Armar el circuito de control y el de potencia, del puente rectificador monofásico controlado con dos SCR (utilizar el transformador reductor 120/12,5/12,5V)

2. Observar y desplegar las formas de onda del voltaje de salida, y los voltajes en los SCR, y tomar las medidas correspondientes, para construir los siguientes gráficos:

a. Voltaje eficaz en la carga en función del voltaje de controlb. Angulo de disparo en función del voltaje de controlc. Voltajes en los SCR en función del tiempo.Utilizar un multímetro de valor eficaz verdadero (true rms) y tomar las precauciones requeridas para las mediciones con el osciloscopio, entre dos terminales de los cuales ninguno está conectado al potencial de tierra.

3. Observar y representar las formas de onda de los voltajes, a la salida de cada uno de los bloques del circuito de control.

VI. EVALUACIÓN

1. Dibujar los siguientes gráficos:

a. Voltaje eficaz en la carga vs Voltaje de control

b. Angulo de disparo vs Voltaje de control

c. Voltaje en la carga para α= 30, 60, 90 y 120 grados. Comparar la forma de onda obtenida en el osciloscopio, con la simulación en SPICE del circuito.

d. Formas de onda de los voltajes, a la salida de cada uno de los bloques del circuito de control.

2. Modificar el circuito de control, del controlador de voltaje, de tal manera que se

3.I. mantenga el voltaje de salida,

cuando el voltaje de entrada disminuya en ±15%.

CONCLUSIONES

En un rectificador controlado monofásico de onda completa, es posible variar el voltaje promedio de la carga inductiva-resistiva con tan solo variar el ángulo de disparo de los SCR’s.

Debido a que no es recomendable trabajar con voltajes de entrada superiores a los voltajes de alimentación de los diferentes dispositivos electrónicos utilizados, fue necesario incluir un divisor de voltaje a la salida de los transformadores, para atenuar el voltaje de entrada a rectificar.

En el diseño del circuito de control por cruzamiento con rampa, es de especial cuidado el cálculo y escogencia de los valores del capacitor y el resistor, ya que son éstos quienes limitan el voltaje máximo.

Al implementar el divisor de voltaje del comparador con un potenciómetro, se logra con éste variar fácilmente al ángulo de disparo de los SCR’s.

Debido a la duración del pulso de control requerida por los SCR’s, es necesaria una etapa RC a la salida del comparador, que proveerá la duración del pulso específica para el diseño.

Debido a la corriente necesaria para activar los optoacopladores, fue necesario implementar un amplificador seguidor, el cual proveería dicha corriente para su correcto funcionamiento.