Rectificador Ac-dc Modelo1 2y3c2m

ELECTRÓNICA DE POTENCIA FICHA DE EVALUACIÓN DEL PROYECTO - QUINTO LABORATORIO Integrantes del Grupo Nombres y Apellidos: Alfredo Leonardo Chávez Cobián Nombres y Apellidos: Jeysson Moisés Marcelo Molina Nombres y Apellidos: Diego Eli Murillo Romero Nombres y Apellidos: Leonidas Jesus Moreno Miñano Evaluador: Fecha: 28/11/2018 Nota para el laboratorio:

OBSERVACIONES:

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA

ELECTRÓNICA DE POTENCIA - PROYECTO RECTIFICADOR

28/11/2018

ESTADO DEL ARTE Un rectificador es un sistema o dispositivo que convierte voltaje alterno en voltaje continuo. En este caso en particular, la fuente inicial de voltaje será el suministro eléctrico casero. Tensión de 220 V y frecuencia de 60 Hz. Debido a esto, el rectificador toma el adjetivo de monofásico, pues el suministro eléctrico casero es monofásico. Los rectificadores pueden ser de media onda o de onda completa y por lo general el elemento más común para este uso es el diodo. El proyecto consiste en elaborar un dispositivo capaz de transformar la energía eléctrica del suministro (220V - 60Hz) y transformarla en una fuente de voltaje continuo (24 V). Para dicho proyecto se investigarán en primera instancia los rectificadores comerciales, es decir, los ya existentes en el mercado. Se evaluarán precios, tamaños, confiabilidad y disponibilidad. Posteriormente, se estudiarán los componentes a utilizar, aquellos que cumplan la función de rectificador como es el caso del diodo. Se realizarán cuadros comparativos entre los integrados a utilizarse basados en sus hojas de datos. Se proseguirá con el diseño del circuito en eagle, el desarrollo de la tarjeta impresa cumpliendo estándares de seguridad estudiados en el curso de tecnología de fabricación. Una vez desarrollado el circuito impreso, se proseguirá a la verificación del correcto funcionamiento. Finalmente, se diseñará una carcasa protectora la cual cumpla tanto función estética como de seguridad, protegiendo en el interior al circuito impreso y evitando la electrocución por o del . En cuanto a los entregables, estos se darán en fechas de laboratorio o cuando el profesor lo designe previas coordinaciones. Estos representan el avance del proyecto durante todas sus etapas y la participación o compromiso de los del grupo durante el desarrollo de este. Para el primer entregable, se brindará el estado del arte, la definición de los objetivos y la investigación realizada sobre el proyecto. Para el segundo entregable se brindará información sobre los componentes a utilizarse, cuadros comparativos y gráficas que justifiquen su elección. Para el tercer entregable, se presentará el diseño de la tarjeta impresa la cual debe cumplir con normas de diseño electrónico, normas de seguridad y reducido tamaño. Para el cuarto entregable, se presentará el circuito impreso montado y funcionando, se definirán conceptos de diseño del módulo que encierra la electrónica. Para el quinto y último entregable, se brindarán los manuales técnicos y de respectivo, se probará el equipo y se expondrá sobre este.

CONCEPTOS TEÓRICOS En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir una señal eléctrica alterna en una continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores. Dependiendo de las características de alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica como monofásicos o trifásicos. A continuación se muestra el diagrama de un bloque rectificador [1].

Figura 1: Bloque de un Rectificador [1] Si bien en la figura se muestra una frecuencia inicial de 50 Hz, para el caso de Lima, se trabaja con 60 Hz. Existe la rectificación de media onda y la de onda completa. Rectificador de media onda: Asumiendo una onda sinusoidal pura e ideal, el proceso de rectificación inicia ingresando la tensión alterna en el circuito. Para este caso de ejemplificación se utilizará una etapa de transformación de 1:9 como se puede observar en la siguiente figura.

Figura 2: Rectificador de media onda [2]

Durante el semiciclo positivo de la tensión del primario, el bobinado secundario tiene una media onda positiva de tensión entre sus extremos. Este aspecto supone que el diodo se encuentra en polarización directa. Sin embargo, durante el ciclo negativo de la tensión en el primario, el arrollamiento secundario presenta una onda sinusoidal negativa, polarización inversa [2].

Figura 3: Ondas en las etapas del rectificador [2] Hasta el momento se obtiene una tensión continua pulsante y lo que se desea es una tensión continua constante. La componente continua de la onda en VL es lo que se desea y es lo que se obtendrá en etapas posteriores. Rectificador de onda completa: El rectificador de onda completa utiliza ambas mitades de la señal senoidal de entrada para obtener una salida unipolar. Invierte los semiciclos negativos de la onda senoidal. En comparación con el rectificador de media onda, los niveles de intensidad son superiores y la caída de tensión es menor cuando se le aplica una carga al sistema. Independientemente de que existan otras formas de rectificadores, el más sencillo está basado en un puente de diodo de cuatro diodos y un condensador como se aprecia en la siguiente imagen [3].

Figura 4: Rectificador de onda completa [3]

D3 y D4 separan los semiciclos positivos y D1 y D2 separan los semiciclos negativos. El condensador se encarga de sostener la tensión resultante durante el cambio de polaridad.

APLICACIONES DEL TEMA DE PROYECTO La red eléctrica actual es de señal alterna debido a su propiedad para ser transmitida a grandes distancias Sin embargo, la mayoría dispositivos electrónicos emplean voltajes y corrientes continuos, ya sea para su funcionamiento o para el control de este. Por ello, todo dispositivo conectado a la red eléctrica posee una circuito rectificador. Debido a ello, el proyecto a desarrollar tiene aplicación en distintos sectores de la industria. Vehículos eléctricos Todo vehículo eléctrico emplea una batería como fuente de energía. La batería necesita voltaje y corriente continuos para su proceso de carga, el cual se realiza en su mayoría a partir de la red eléctrica. Por lo tanto, se emplea un circuito rectificador AC/DC para conseguir la tensión y corriente de carga requerida por la batería. Los vehículos de tracción encargados del transporte de carga en las industrias utilizan baterías de 24 V a más. Por lo cual, se emplean cargadores que reciben 220 VAC y entregan de 24 VDC a más [10], es decir, se realiza un proceso de rectificación. En la Figura 11 se presenta el circuito de carga para batería de plomo ácido de 24 V 7 Ah, en el cual se puede apreciar que consiste en un conversor AC/DC [11]. Este tipo de batería es todavía empleado en vehículos a combustión interna.

Figura 11: Circuito de carga de una batería de plomo ácido de 24 V 7 Ah [11] Sin embargo, este circuito de carga no es óptimo para las nuevas baterías que alimentan en su totalidad a los vehículos eléctricos, puestos que estas almacenan un mayor nivel energía, por lo tanto requieren altos niveles de corriente de carga. Los cargadores actuales emplean más etapas que la convencional rectificación, por ejemplo, utilizan conversores elevadores DC/DC, transformadores e inversores, tal como se puede observar en la Figura 12 [12].

Figura 12: Circuito de carga para batería de vehículo eléctrico [12]

Fuente de poder ininterrumpible (UPS, por sus siglas en inglés): Este tipo de fuente almacena energía en un paquete de baterías a partir de la red eléctrica, con la finalidad de alimentar cargas sin interrupción. La primera etapa del proceso de este dispositivo posee un circuito rectificador [13]. POSIBLES DISEÑOS DEL TEMA DE PROYECTO De acuerdo a lo investigado, se encontró algunos diseños para las diferentes aplicaciones del rectificador AC/DC: ●

Rectificador monofásico para UPS con reducción de contenido armónico en la corriente alterna [13]

Figura 13: Circuito de potencia. Diseño a 5kW [13] El diseño del circuito de la figura 12 fue desarrollado para la alimentación de potencia eléctrica de sistemas UPS de hasta 5kW. Este diseño tiene la particularidad de que se reducen los armónicos en la señal de la corriente de entrada.

Objetivos del Proyecto Electrónico de Potencia​​. Se desea crear un módulo de potencia, el cual con una entrada 220 VAC se obtenga una salida de 110 VDC Consideraciones Eléctricas del Proyecto. Voltaje de entrada: 220 VAC Voltaje de salidas: 110 VDC Corriente: 5A Se utilizará SCR, ya que el principio de funcionamiento es el mismo que el de un rectificador de puente monofásico de diodos, excepto que cada tiristor comienza a conducir solo cuando se inyecta un pulso de corriente en la compuerta como se muestra en la Figura 2.1 [1].

Figura 2.1. El puente de tiristores monofásicos [1]

Cuando un tiristor comienza a conducir, sigue conduciendo hasta que la corriente que fluye a través del mismo sea cero. Con una carga resistiva, la corriente se vuelve cero en el instante en que la tensión de la fuente de AC pasa a través de cero voltios. Por lo tanto, la salida es una tensión rectificada de onda completa que siempre es positiva como se muestra en la Figura 2.2 b [1].

Figura 2.2: Formas de onda [1]

Cuando la carga es inductiva, parte de la salida de voltaje es negativa como se aprecia en la Figura 2.2c, debido a que el inductor almacena energía. La corriente continúa fluyendo, de igual manera los tiristores también conducen, hasta que se libere la energía almacenada de la carga inductiva [1]. Características del diseño por medio de bloques funcionales En cuanto a los bloques funcionales concierne, se tiene un bloque de potencia, el cual está directamente ligado a la tensión de 220VAC y otro bloque de control en la cual se evalúa el ángulo de disparo de los tiristores para la adecuada rectificación de la Onda. Además de un bloque intermediario de protección el cual tiene la finalidad de aislar ambos bloques. En cuanto al bloque de potencia, se espera un voltaje de 110 VDC en la carga. Además, se espera que se encuentre aislado del bloque de control para minimizar fuentes de error y peligro. La tensión de 220 VAC será rectificada mediante un puente de tiristores y posteriormente se obtendrá una tensión de 110 VDC la cual debe ser filtrada. Bloque funcional de potencia. En este bloque se encuentra la etapa de rectificación y la etapa de filtrado que sirvan para alimentar la carga deseada. En la primera etapa, el uso de un arreglo de tiristores, como en la Figura 2.1, serán de utilidad para obtener una salida rectificada. La cual está ligada al ángulo de disparo para obtener un porcentaje de salida. Si el ángulo de disparo fuese sincronizado con el inicio de la forma de onda, es decir, ángulo 0°, este resultaría obtener una onda rectificada de amplitud 311 Vpp. Sin embargo, en este proyecto el rectificador será de 110V de valor medio. Por ello, se debe emplear un adecuado ángulo de disparo para poder emplear el porcentaje necesario de tensión que brinde un óptimo consumo de potencia. En la segunda etapa, la señal de 110V de valor medio se filtra por medio de un diodo, resistencia y condensador. Este presentará un voltaje de rizado que dependerá de la constante de tiempo, es decir, del producto de los valores de resistencia y condensador. Bloque funcional de control. Para un rectificador usando tiristores se ha de emplear una etapa de control del disparo de estos. Esta se basa principalmente en el uso de resistencias, capacitores y diodos para un eficiente ángulo de disparo. Un ejemplo de ello se puede distinguir en la Figura 5.

Figura 5.1 Control de Fase a media onda [5] En la Figura 5 se aprecia de forma separada a un tiristor, en este caso SCR, en un circuito de control de alimentación monofásica. En este se requiere encontrar un ángulo de disparo de 90°. Para ello se usó una resistencia variable junto a un capacitor que los valores ajustaban para obtener un ángulo de disparo deseado. El análisis se enfoca en el tiempo en el cual el capacitor se cargue a un voltaje que permita el pulso necesario para que se active el SCR. En el caso del proyecto se considerarán nuevos valores de capacitor y de resistencia para poder obtener un ángulo de disparo entre los 70° y 80°, pues que estos se encuentran en el rango de generar una salida con un valor medio igual a 110V. Diagrama de bloques general del circuito de potencia A partir de lo expuesto en los puntos anteriores, el sistema está conformado por tres bloques como se observa en la Figura 6: ● Puente de tiristores: Arreglo de 4 SCR controlados encargados de obtener un voltaje de 110 VDC a partir de una entrada de 220 VAC. ● Rectificación y filtrado: El voltaje en la salida del bloque anterior puede contener una componente negativa debido a una carga inductiva. Por ello, se considera el uso de un diodo de rectificación y un condensador de filtrado. ● Control de ángulo de disparo: Circuito cuyo funcionamiento es generar el voltaje necesario para que el pulso de corriente al gate del SCR sea suficiente para activar este transistor.

Figura 6.1. Diagrama de bloques del circuito de potencia y control del sistema

Bloque de Potencia

Figura 1. Circuito de Potencia Siendo la carga de un foco incandescente, se tiene que el voltaje de salida será de 110 Vrms con una corriente de 5A. Resistencia del f oco =

110*1.41 5

= 31 Ω

En la figura 2 se puede observar cuánta corriente fluyó a través de cada diodo, en la entrada y en la carga. Se modeló el circuito de potencia con un puente de diodos.

Figura 2. Simulación del circuito con puente de diodos

Bloque de Control Circuito encargado del disparo de los SCRs. Este circuito está conformado principalmente por PUTs, resistencias y condensadores. Cálculo de componentes El dimensionamiento de los componentes se realiza en base a las fórmulas del material de clase y de las hojas de datos de los componentes [5-6]. Valores establecidos: V s = 30 V , tg = 10 us, C1 = 100 nF , T = 4.16ms, R1 = 10kΩ, R2 = 1kΩ Cálculo de valores: n=

R2 R1+R2

n=

1kΩ 11kΩ

n = 0.1 tg = R 4 x C 10 us = R4 x 100nF R4 = 100 Ω El período de la señal generada por el PUT se expresa en base a la siguiente ecuación:

1 T = R x C1 x ln( 1−n )

En esta primera instancia, se establece un período de 4.16 ms, puesto que, este representa la mitad del período de la comba positiva de la señal de 220 Vac. 4.16 ms = R x 100 nF x 0.105 R = 396.19 kΩ Esta resistencia obtenida será implementada con un potenciómetro en serie a una resistencia fija de 5.1 k Ω para poder variar el periodo a la señal de la salida del PUT a nuestra conveniencia. Asimismo, se realizaron simulaciones para comprobar el funcionamiento del circuito en base a los cálculos realizados [7]. En la Figura 3 se presenta el circuito de control empleado para la simulación y en la Figura 4 se muestra la señal de salida del PUT.

Figura 3: Circuito de Control

Figura 4: Señal de la salida del PUT Justificación de la elección de los componentes del diseño electrónico de potencia Bloque de potencia ● SCR Se considerará un factor de seguridad de 1.3 aproximadamente, por lo que el voltaje y corriente serán de 200 V y 6.5 A. De acuerdo a la página web de Digikey​® ​se encontró SCR de 200V y 8A: - 200V/8A - MCR218-4G [1] - 200V/8A - TYN208RG [2] ● Diodo En lo que respecta al diodo se considerará una corriente de 6.5A, entre lo cuales se encontró los siguientes diodos: - 6.5A - VSB2045Y-M3/54 [3] - 6.4A - V25PN60-M3 [4] Bloque de control Para el disparo usando PUT, se usará lo siguiente: - PUT 2n6027. -​ U ​ na resistencia de 9K@1/2Watt -​ U ​ na resistencias de 1K@1/2Watt

-​ U ​ na resistencia de 5.1K@1/2Watt -​ P ​ otenciometro de 1M@1/2Watt - Una resistencia de 100 @1 Watt - Condensador de 100nF Elección de Disipador SCR

Tomando en cuenta el SCR MCR218-4G, Se analizan los datos necesarios para poder calcular el disipador adecuado. ● ● ● ● ● ● ● ●

Imax = 84 A Rthj-case = 2 °C/W Rthj-amb = 62.5°C/W Rthj-sink (asumido) = 0.5 °C/W Tj max = 125°C Encapsulado = TO-220AB Tamb = 25°C Rak - on (asumido) = 0.055

125°C − 25°C 62.5°C

= I 2 * 0.055

I = 5.39A

Rthjc + Rthcs = 2°C/W + 0.5°C/W = 2.5°C/W A la salida requiero 5 A, tomando en cuenta un factor de seguridad de 1.5, se necesita 7.5A. Se tomará 8A a la salida para realizar el cálculo del disipador adecuado.

82 * 0.055 =

125°C − 25°C 2.5°C/W +X

X = 25.9 °C/W

De acuerdo a los disipadores existententes en el mercado, se usará:

Figura 9:Disipador ATS-541150D-C1-R0 [9] Cuyas características técnicas son:

Figura 10: Datos técnicos del disipador ATS-541150D-C1-R0 [9]

Circuito de potencia:

Fusibles para los SCRs: Se utilizará un fusible para proteger el circuito ante alguna sobrecorriente, el cual se colocará entre la fuente de 220VAC y el puente de diodos y scr. Debe soportar 220Vac/60Hz y una corriente de 7A. Este componente es para la protección de la corriente que atraviesa al SCR. Se facilita el cálculo debido a la hoja de datos, siendo el valor de 26 A2s. El valor comercial es de 30 A2s. Se muestra la tabla de datos de este fusible de la marca SIBA.

Figura 11. Características del Fusible [10] Componentes Integrado TCA785 Resistencia 5.1kΩ@9W Diodo 1n4007 Cuatro diodos 1n4148 Condensador electrolítico 1000uF@16V Condensador 0.47uF Condensador 2.2uF Condensador 0.1uF Condensador 150pF Condensador 47nF Diodo zener 1N4742 15V@1W Resistencia 10kΩ@1/2W Resistencia 220kΩ@1/2W Resistencia 4.7kΩ@1/2W Dos resistencia 2.2kΩ@1/2W Resistencia 22kΩ@1/2W Resistencia 220Ω@1/2W Transformador de pulsos 78601/1C

Bloque de Control Componentes Dos diodos 6A Dos scr bt152

En la siguiente figura se puede observar la carga, un foco incandescente de 60W. En el laboratorio se mostrará el funcionamiento.

En la siguiente figura, se observa el circuito realizado en protoboard. Se observa en la bornera derecha la entrada de los 220 VAC. En la bornera izquierda se coloca la carga. Los componentes del circuito son explicados en la parte superior.

En esta figura, se puede observar la señal tipo rampa junto a la onda sinusoidal. La variación de la señal tipo rampa se contrasta con la onda sinusoidal generando así la señal de pulsos para la activación de los SCR.

En la siguiente figura, se observa los picos resultantes de los pines 14 y 15 del TCA 785.

Diseño del circuito esquemático en Eagle

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