Rectificador Controlado 40601j

Rectificador Controlado Monofásico de Onda Completa Circuito de control de cruce por Coseno. Geiner Giovanny Barbosa, Germán Albeiro Peñaloza, Oscar Mauricio López  Resumen— En la siguiente práctica se realizará el diseño del circuito de control de un rectificador monofásico de onda completa tipo puente. El cual consiste en tomar una muestra de la señal que se entrega al rectificador y darle un tratamiento adecuado, para compararla con un voltaje de control continuo y producir así 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.

III. ANÁLISIS PRELIMINAR 1. Teoría de operación del puente rectificador controlado monofásico. 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 señal de entrada. El circuito se puede ver en la figura 1.

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 verá, 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 tiristores (ángulo de disparo, simbolizado por α). Existe, por tanto, un circuito de control, que actuando sobre el instante de disparo de los tiristores regula la conversión. En ésta práctica analizaremos los circuitos monofásicos y además el circuito de control será por cruce de coseno, en el cual es importante tener en cuenta algunos aspectos para una buena respuesta en la carga. Veamos a continuación el desarrollo paso a paso de la práctica.

Fig. 1 Rectificador monofásico controlado tipo puente

II. OBJETIVOS 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 varia 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 Fig. 2. Formas de onda del puente rectificador totalmente controlado, con carga resistiva

Los tiristores T1 y T4 conducirán durante el semiciclo positivo .

Rectificador Controlado Monofásico de Onda Completa 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 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.

donde 𝑍=

𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1 𝜏=

La componente media de esta forma de onda se determina a partir de:

1 < 𝑉𝑜 >= 𝜋

𝜋+𝛼 𝛼

2𝑉𝑚 𝑉𝑚 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡 𝑑 𝑤𝑡 = (cos 𝛼) (𝟏) 𝜋

Por lo tanto, la corriente media de salida es

𝐼𝑜 =

𝑉𝑜 2𝑉𝑚 = (cos 𝛼) (𝟐) 𝑅 𝜋𝑅

𝑅2 + 𝑤𝐿

2

𝑤𝐿 𝑅

𝐿 𝑅

La función de corriente anterior se hace cero en 𝑤𝑡 = 𝛽. Si 𝛽 < 𝜋 + 𝛼, la corriente será nula hasta 𝑤𝑡 = 𝜋 + 𝛼, momento en el cual se aplicarán señales de puerta a T2 y T3, que quedarán polarizados en directa y comenzarán a conducir. La figura 4 ilustra este modo de operación, denominado corriente discontinua: 𝛽 = 𝛼 + 𝜋 → corriente discontinua

La potencia entregada a la carga es una función de la tensión de entrada, del ángulo de disparo y de los componentes de carga. Para calcular la potencia en una carga resistiva se utilizará 𝑃 = 𝐼𝑟𝑚𝑠 2 𝑅, donde

𝐼𝑟𝑚𝑠 =

1 𝜋

𝜋+𝛼

𝐼𝑜 2 𝑑 𝑤𝑡 𝛼

𝐼𝑟𝑚𝑠 ≈ 𝐼𝑜 (𝟑) 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 análisis diferente. Para wt=0 y con corriente de carga nula, los SCR T1 y T4 del rectificador en puente estarán polarizados en directa y T2 y T3 se polarizaran en inversa cuando la tensión del generador se haga positiva. T2 y T4 se activaran cuando se les apliquen señales de puerta para wt=α. Cuando T1 y T4 están activados, la tensión de carga es igual a la tensión del generador. Para esta condición el circuito es idéntico al rectificador controlado de media onda y la función de la corriente será 𝑉𝑚 𝑖𝑜 𝑤𝑡 = 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡 − 𝜃 − 𝑠𝑒𝑛(𝛼 − 𝜃)𝑒 −(𝑤𝑡 −𝛼 )/𝑤𝜏 (𝟒) 𝑍 para

𝛼 ≤ 𝑤𝑡 ≤ 𝛽

Fig. 3. Corriente discontinua

El análisis del rectificador controlado de onda completa en el modo de corriente discontinua es idéntico al del rectificador controlado de media onda, pero el periodo de la corriente de salida es π radianes en lugar de 2π radianes.

2. Teoría de operación 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

Rectificador Controlado Monofásico de Onda Completa Circuito de control de cruce por Coseno. y −𝑉𝑝 cos 𝑤𝑡 + 𝑉𝑝 = 𝑉𝑐 para la ecuación 14 De tal forma que si tomamos como base solo la ecuación (13), se tiene que si wt=, que es el ángulo de activación de los optoacopladores, entonces se tiene que la relación de este con Vc está dada por: 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 Fig. 4. Diagrama a bloques del circuito de disparo por cruce de coseno

El principio de funcionamiento consiste en monitorear la señal de entrada mediante un transformador reductor, para obtener una muestra de la fase apropiada. Esta señal de muestra del senoide de entrada: 𝑉𝑖 𝑤𝑡 = 𝑉𝑚 sin 𝑤𝑡 (𝟏𝟏) Se deriva para obtener una función coseno. En este momento tenemos, a la salida del defasador:

(𝟏𝟓)

Si los optoacopladores definen a su vez el disparo de los SCR’s, y recordamos que la ecuación que define el valor promedio de la señal de salida del convertidor es: 𝑉𝑐𝑑 =

2𝑉𝑚 cos 𝛼 (𝟏𝟔) 𝜋

De esta forma podemos concluir que un circuito capaz de obtener las señales requeridas y detectar el cruce del coseno que tiene referencia a la fase de la señal de entrada, proporciona una relación completamente lineal del voltaje de salida de un rectificador controlado de onda completa y una señal de control en tensión.

𝑉𝑖 ′ 𝑤𝑡 = 𝑉𝑝 cos 𝑤𝑡 (𝟏𝟐) En donde Vm es la magnitud de la señal de entrada y Vp es la magnitud de la señal de salida del transformador reductor. Si la señal de la ecuación (12) se invierte y luego ambas, la señal “positiva” y “negativa” se acondicionan para que tengan un offset de voltaje de directa de la misma magnitud de la señal de salida del transformador, de tal forma que la salida resultante esté por encima del nivel de tierra, se formarán las señales:

𝑉𝑐 − 𝑉𝑝 𝑉𝑝

IV. PLANIFICACIÓN 1. A partir del diagrama de bloques propuesto que se adjunta, se pide diseñar un circuito de control, utilizando el método lineal o cosenoidal, utilizando componentes discretos analógicos.

𝑉1 𝑤𝑡 = 𝑉𝑝 cos 𝑤𝑡 + 𝑉𝑝 (𝟏𝟑) y 𝑉2 𝑤𝑡 = −𝑉𝑝 cos 𝑤𝑡 + 𝑉𝑝 (𝟏𝟒) Y además si la señal de control Vc se hace variar solamente en el intervalo definido por 0
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.

DISEÑO

Rectificador Controlado Monofásico de Onda Completa Circuito de control de cruce por Coseno. A continuación veremos paso a paso el diseño del circuito. a) Alimentación.

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 tensión al transformador para asegurar máxima excursión, además el voltaje de comparación va a variar entre 0 y 10 v.

voltaje de referencia, y el otro para el disparo en wt = π+α de referencia. El voltaje a la salida será igual a Vcc durante el tiempo en el que V+ es mayor que V-, por lo que se genera una señal escalón.

f) Derivador

Debemos tener en cuenta el diseño de éste circuito para un buen pulso que se va a entregar al SCR.

b) Circuito para desfase de 90°

Se requiere que la señal 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 cálculos:

El capacitor conduce hasta que se cargue totalmente, donde se abrirá y no permitirá más el paso de la corriente hacia la resistencia. Se tiene que: 𝜏 = 𝑅𝐶

𝑉𝑜 𝑤𝑡 = 𝑉𝑖 𝑤𝑡 − 𝜙 𝜙 = 2 tan−1 2𝜋𝑓𝑜𝑅3𝐶1 Se asume el valor de C1 = 0.1 μF. Sabiendo que fo = 60 Hz y φ=90°, entonces: 𝜙 tan 2 = 26.53 𝐾Ω ≅ 𝟐𝟕 𝐊𝛀 𝑅3 = 2𝜋𝑓𝑜𝐶1

Si tg = 10 μS 𝑡

𝑉𝑐 = 𝑉𝑖𝑛 1 − 𝑒 − 𝑡

1 = 1 − 𝑒−

𝜏

𝜏

𝑠𝑖 𝑉𝑐 = 𝑉𝑖𝑛

𝑝𝑒𝑟𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑒 −𝑥 = 1 − 𝑥

𝑡 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 𝜏 = 𝑡 = 10 𝜇𝑆 𝜏 𝑅𝐶 = 10 𝜇𝑆 𝑠𝑖 𝑪 = 𝟎. 𝟏 𝝁𝑺

1=

R = 100Ω c) Adecuación de la señal

Se debe tener una señal con excursión de 10 V, ya que Vc varía entre 0 y 10 V, por lo tanto la onda se divide entre dos y se le resta Vcc/2 = 5 V, lo cuál se hace con un divisor de voltaje.

Como se deben tener dos pulsos, uno desfasado 180° del otro, se debe generar una señal 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 señal continua debe variar entre 0 y 10 V, por lo que se utiliza un potenciómetro de 500KΩ.

e) Comparador

Se utilizan dos circuitos comparadores, uno para el disparo en wt = α comparando la salida del sumador inversor con el

g) Circuito de Control

Para aislar el circuito de control con el de potencia utilizamos optoacopladores MOC 3010. Colocamos diodos entre compuerta y cátodo del SCR para la protección de éste. Además insertamos un diodo de rueda libre en antiparalelo con la carga para la reducción 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.

Rectificador Controlado Monofásico de Onda Completa Circuito de control de cruce por Coseno. i) α = 60

j) α = 90

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 operación del circuito de potencia para α = 30, 60, 90 y 120 grados. A continuación las gráficas de voltaje para los diferentes ángulos colocando una carga RL sin diodo de rueda libre. h) α = 30

k) α = 120

Rectificador Controlado Monofásico de Onda Completa Circuito de control de cruce por Coseno. c. Voltaje en la carga para α = 30, 60, 90 y 120 grados. V. EVALUACIÓN a)

1. Dibujar los siguientes gráficos: a. Voltaje promedio en la carga vs Voltaje de control

Voltaje promedio Vs Voltaje de control voltaje promedio

10 8 6 4 2

b) α = 60

0 1

2

3

4

5

6

7

8

voltaje de control

b. Angulo de disparo vs Voltaje de control

Angulo de disparo (grados)

Angulo de disparo Vs Voltaje de control 150 100 c) α = 90

50 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

Voltaje de Control

d) α = 120

α = 30

Rectificador Controlado Monofásico de Onda Completa Circuito de control de cruce por Coseno. b) Señal reducida a 10V pico luego del divisor de voltaje.

Comparar la forma de onda obtenida en el osciloscopio, con la simulación en SPICE del circuito. Las formas de onda son similares a las simuladas. Cuando aplicamos el ángulo de 120° se observa significativamente el pico negativo en comparación con la simulación, en la cuál se evidencia el pulso negativo pero en un corto tiempo; colocando el diodo de rueda libre se mejora esta situación.

c) Señal desfasada 90 grados (coseno)

También se observó que la resistencia necesaria para colocar el ángulo deseado en lo real es muy cercana a la de simulación.

d. Formas de onda de los voltajes, a la salida de cada uno de los bloques del circuito de control. Al circuito de potencia llegan dos bloques, uno para el disparo en wt = α, y el otro para el disparo en wt = π+α de referencia. Veamos paso a paso el tratamiento de la onda para llegar al circuito de potencia. a) Señal de entrada [1]

d) Señal reducida a 10 Voltios pico-pico.

Rectificador Controlado Monofásico de Onda Completa Circuito de control de cruce por Coseno. e) Señal con offset aplicado.

bobina. del mismo modo cabe resaltar el diodo de protección conectado en la compuerta del SCR para la protección de éste Es necesario invertir el voltaje de control, ya que en la salida de los sumadores las señales se encuentran desplazadas negativamente, es decir con un voltaje offset negativo, para efectuar la comparación correctamente y generar de manera adecuada los pulsos de disparo.

f) Señal de onda cuadrada a la salida del comparador.

Al intercambiar los cables de los pulsos de nuestro circuito a cada par de scrs se pudo evidenciar que habia control de una forma ,concluimos que esto ocurria debido a que se debe tener en cuenta la polaridad de la señal de alterna, ya que esta debe ser positiva cuando se aplican los pulsos, de esta manera la del voltaje anodo - catodo de los scrs es positivo.De lo contrario no no se realizara control

REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5]

g) Pulsos aplicados a los optoacopladores.

VI. CONCLUSIONES Verificamos esperimentalmente la utilidad del diodo en antiparalelo en la carga RL el cual produce una notable disminución del voltaje negativo en la carga tras su cruce por cero, además sirve para el proceso de desmagnetizacion de la

UNIDAD II. Diapositivas Electrónica de Potencia IV. Germán Gallego. MUHAMMAD H. RASHID. Electrónica de Potencia. Edición. México D.F. Editorial Prentice Hall, 1993. PAG. 118-124 Datasheet C106M Disponible en: http://www.datasheetcatalog.org/datas heet2/5/0qswy2e8c8us8z1d7h14c pa7psyy.pdf Convertidores CA/CC – Rectificadores. Barcelona (2010, Nov 25). [En línea]. Disponible en: http://tec.upc.es/el/TEMA-3%20EP%20(v1).pdf Reporte de Prácticas y simulaciones. (2010, Nov 27). [En línea]. Disponible en: http://www.monografias.com/trabajos12/repract/repract.shtml

Rectificador Controlado Monofásico de Onda Completa Circuito de control de cruce por Coseno.

Anexo Anexo31