RECTIFICADOR MONOFASICO CONTROLADO DE ONDA COMPLETACIRCUITO DE
CONTROL POR CRUZAMIENTO CON RAMPA ELBER GOMEZ TORBA ELBER GUDO ROSA
MELANO UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER INGENIERA
ELECTROMECNICA RESUMEN:Los rectificadores controladosa
frecuenciasebasanencircuitosanlogosa
losrectificadoresnocontrolados,pero
utilizandoSCRsenlugardediodos,en estos
circuitosesposibleregularelvalor mediodelatensindesalidavariandoel
desfase entre el paso por cero de la tensin de
redyeldisparodelos.Existe,portanto,un
circuitodecontrol,queactuandosobreel
instantededisparodelosSCRsregulala conversin.
Elcircuitodecontrolmodificaelngulode
disparoparamantenerelvalormediodela tensin de salida, la tensin de
entrada o de la corrientetomadaalasalidadelrectificador. ABSTRACT:
(lo mismo de arriba en Ingls) PALABRASCLAVES:Monofsico,
RectificadorControlado,SCRs,Cruzamiento por rampa, Optoacoplador,
Puente. I.INTRODUCCIN Loscircuitosrectificadorescondiodos realizan
la conversin de la tensin alterna en tensincontinua.Peroestetipode
rectificadoresnonospermitencontrolarel valor promedio de voltaje en
la carga, puesto que el diodo es un rectificador no controlado;
dadoqueenlaindustriaexistenalgunas
aplicacionesenlasqueesnecesariodicho
valorpromedioresultadesumointersel
estudiodelosrectificadorescontrolados,los cuales permiten la
regulacin del voltaje en la cargaenfuncindelngulodedisparode
losthyristores,quepuedensercontroladosa travs de un circuito de
encendido. Unrectificadorcontroladomonofsicose
puededescribircomodoscompuertasde diodos OR activados por una seal
de control enlascualeslasalidaasumeelvalordela entrada ms alta.
II.OBJETIVOS a.OBJETIVOGENERAL:Diseary
construiruncircuito,paraelcontroldel ngulodeconduccindelosSCR,deun
puenterectificadormonofsicodeonda completa,porelmtodorampa-escaln
(linealocoseno).Elvoltajeenlacargase
debecontrolarconunasealVcquevara 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. b.OBJETIVOS ESPECFICOS:
Diseareimplementarelcircuitodela etapadecontrolporcruzamientocon
rampa. Diseareimplementarlaetapade
acoplamientodelcircuitodecontrolal rectificador.
Realizarlasrespectivassimulacionesdel
circuitoenelsoftwaredesimulacin Orcad.
Compararlosdatosobtenidosenla simulacinconlosdatosobtenidosenla
implementacin del circuito fsico. III.MARCO TERICO
a.TEORADEOPERACINDEL PUENTERECTIFICADOR CONTROLADO MONOFSICO
Enelsiguientemontaje,losdiodosque formaban el puente rectificador
no controlado sesustituyenportiristorestipoSCR,
haciendoposibleelcontroldefasedeuna
ondacompletadelasealdeentrada.El circuito se puede ver en la figura
1. Figura1.Rectificadormonofsicototalmente controlado. [1]
Convertidores CA/CC Rectificadores. tec.upc.es
LostiristoresT1yT4conducirnduranteel
semiciclopositivodelaentrada,ylos
tiristoresT2yT3enelnegativo.Esoquiere 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
figura2muestralasformasdeondadela corriente de entrada y de
latensin de salida del rectificador.
Figura2.Formasdeondadelpuenterectificador totalmente controlado,
con carga resistiva. [1] Convertidores CA/CC Rectificadores.
tec.upc.es Tensin media en la carga:
( )
( ) Para =0, la tensin media en la carga ser:
Tensin eficaz en la carga:
(
)
[( )
] Intensidad media en la carga:
( ) b.TEORADEOPERACINDEL CIRCUITODECONTROL,DEL DISPARO DEL SCR
Lostiristoresseoperancomoconmutadores biestables, para muchas
aplicaciones se puede suponerquelostiristoressoninterruptoreso
conmutadoresideales,aunquelostiristores
prcticosexigenciertascaractersticasy
limitacionesyaquesonfabricadospor difusin.
Operacin:Cuandoelvoltajedelnodose hace positivo con respecto al
ctodo, la unin J1 y J3 tienen polarizacin directa o positiva,
launinJ2 tienepolarizacininversa,ysolo fluir una pequea corriente
de fuga al nodo yalctodo.Sediceentoncesqueeltiristor
estaencondicindebloqueodirecto,siel
voltajenodo-ctodoseincrementaaun valormuygrandelauninJ2sepolariza
inversamente y entrar en ruptura. Figura 3. Curva caracterstica de
voltaje-corriente de un tiristor (SCR).
[2]Circuitosdedisparo,tiristores, gdcjorgeprueba.wikispaces.com
Tiristoresdecontroldefase:Operanala
frecuenciadelneaysedesactivanpor conmutacin natural tambin
conocidos como SCRs.Lostiristoresutilizanunacompuerta
amplificadora, en la que se dispara un tiristor
auxiliarmedianteunasealdecompuertaal tiristor principal.
Circuitodecontrolporcruzamientocon rampa:
Elcircuitodecontroldebeproveeruna
caractersticadecontrollineal,paraquela respuesta del control no
dependa del punto de operacindelconvertidor.Elpulsode
disparodelostiristores,seobtienede comparar una seal con un voltaje
de control. Figura 4. Seal de disparo.
UnidadIV,GuasdeelectrnicadepotenciaI,Ing. Germn Gallego. El ngulo
de disparo tiene como referencia,
elnguloenelcualconduceelrectificador
controlado,sisesustituyenlosSCRpor
diodos.Paralosrectificadoresmonofsicos =0ocurreenwt=0ypuedevariar
tericamente entre 0 y . Elcontroltiporampaobtieneelpulsode
disparo,delacomparacindeunvoltaje
dientedesierra(vst=Kt)conunvoltaje continuodecontrol(Vc)demagnitud
variable (Figura 5) Elvoltajedientedesierra(Figura6)debe
iniciarenwt=0(paraobtenerelpulsode disparoen=0,alcompararlocon
Vcontrol=0 y debe terminar con una amplitud VST max en wt=.
Paraqueelvoltajedientedesierrainicieen
wt=0,elgeneradordientedesierrasedebe
activarmedianteundetectordecrucepor0,
delvoltajedelafuentereducido(voltajede
sincronizacin).Esteseobtienemedianteun transformador o un divisor
de voltaje. El ngulo de disparo () se obtiene de
Figura 5. Generador diente de sierra
UnidadIV,GuasdeelectrnicadepotenciaI,Ing. Germn Gallego Figura 6.
Forma de onda de la rampa y los pulsos
UnidadIV,GuasdeelectrnicadepotenciaI,Ing. Germn Gallego
Conmutacinidealdelrectificadortipo puente monofsico Figura 7.
Conmutacin Ideal [3] Rectificadores Controlados, www.gte.us.es
Figura8.PuenteMonofsicoControladoconmutacin ideal [3]
Rectificadores Controlados, www.gte.us.es
Valormediodelatensinrectificadadel puente monofsico Figura 9. Valor
Medio de la Tensin Rectificada [3] Rectificadores Controlados,
www.gte.us.es
Figura 10. Puente Monofsico Controlado [3] Rectificadores
Controlados, www.gte.us.es
(
)
Efectodesobrelacomponente fundamental de Is en el rectificador
puente monofsico Desarrollando en serie de Fourier se obtiene para
la componente fundamental de la corriente por la lnea (IS):
( )
( ) Figura 11. Curvas caractersticas del ngulo sobre Is Para
distintos valores de : [3] Rectificadores Controlados,
www.gte.us.es Sincronizacindelcircuitodedisparocon el paso por cero
de Vs Figura12.Sincronizacindeldisparoconelpasopor cero de VS. [3]
Rectificadores Controlados, www.gte.us.es IV.PLANIFICACIN
1.Apartirdeldiagramadebloquespropuesto que seadjunta, se pide
disear un circuitodecontrol,utilizandoelmtodo
rampa-escaln(linealocosenoidal) utilizando componentes discretos
analgicos. Figura13.Diagramadebloquesdelcircuito de control
V(t):Sealcosenoidaldelafuentedevalor
reducidoorampasincronizadaconlafuente alterna de potencia. Vc: Seal
de control DC variable entre 0 y 10
V,paraqueelngulodeconduccinterico vare entre 0 y 180 grados.
Loprimeroeneldiseodenuestrocircuito
fueeltransformadorreductorparaadecuarlo
aunvoltajetilparalaalimentacindelas siguientesetapascomoVcc,ademsde
generarnuestrassealesdecontrolyde comparacin.
Utilizamosuntransformadorreductorde 120V/9V, que nos generan un Vcc
de 12,72V ytambinunosnivelesVayVbde6,5V,
paralageneracindenuestrassealesde control,enestaetapausamosdiodos
rectificadoresnormalesyenlosdivisoresde
voltajeparaVayVbresistenciasdelmismo
valorparaobtenerlamediadetensinyen valoresdeKhmiosparaelcontroldela
corriente.
()
Para el primer generador mediante un divisor
devoltajeobtenamos0.5Vycalculamoslos dems. Grafica de salidas Va y
Vb Figura 14. Generacin de Va y Vb Etapa de generacin de voltajes
Va y Vb, Proteus. LosvaloresdeVa,Vb,o,5ydelVccse
usaronenlasiguienteetapa(comparador)
parasufuncionamiento.VayVbmanejaban
cadaunounciclo.Enlasiguientefigura15
podemosverelcomparadorutilizadoysu salida. Salida del comparador.
Figura 15. Comparador Etapa de comparacin, Proteus. Podemos ver a
la salida de esta etapa la forma
delospulsosyquecadacomparadormaneja un ciclo de la seal.
Paralasiguienteetapausamosuna configuracin con transistor como
integrador, que nos genera una seal de rampa y es la que
nosdetectaelcruceporcero.Denuevo ocurre para los dos ciclos.
Paraestediseonosbasamosteniendoen
cuentacomocriteriodiezveceslacorrientede colector con respecto a la
de base y fijando una resistencia de base fija para los dos ciclos
de 1 K ohmio. ParaelclculodeCydelaRC1,elegimos
primeroloscapacitoresquetuvieran
exactamentelasmismascaractersticasy
luegomedianteunamallaycriteriosde
diseoencontramoslasresistencias.Estos datos nos dieron unos valores
de:
Salidadelcomparador:Elpulsodedisparo
paracadaSCRdebetenerunaduracin especfica,necesariaparaunacorrecta
activacindeestosdispositivos.Paraello,la seal anteriormente
generada se somete a una etapaRC,paraproduciraselpulsode disparo
adecuado. DichaetapaRCesimplementadaconun
diodoenparaleloparaeliminarlosvalores negativos de la seal.
Loscriteriosdediseotenidosencuentaen esta etapa fueron los
siguientes:
Ademseltransistorseusenmodode conmutacinparaestaaplicacin.
Conociendo el capacitor hallamos R LasealdesalidadelaetapaRCesmuy
dbil en corriente, y requiere de una etapa de
reforzamientoantesdeentraralaetapade acoplamiento.
Estoselogramedianteamplificadores
operacionalesenconfiguracinseguidorde voltaje, el cual nos dar el
pulso de activacin de las compuertas de los SCRs esperado. Como la
seal de rampa de salida no present la linealidad en la pendiente
que esperbamos entoncesvariamoselvalordelaresistencia
hastaunvalorquenosproporcionesta linealidad que necesitbamos.
Estodebidoaquelapendienteestdadapor RC y entre mayor sea el valor
de esta relacin mayorserlapendienteporloquesuregin
linealsermayorfacilitndonosobtenerlo que deseamos. Figura 16.
Generador de rampa. Etapa de generacin de pulsos, Proteus
Alconectarelcondensadorentrelasuniones
emisorycolectordeltransistor,esta configuracinpermitequelapartede
pendientenegativadelarampasea suprimida,yporconsiguientelaformade
salidaseasolamentelapartedependiente positiva de la rampa.
Elgeneradordeondacuadradaes implementadoutilizandoeloperacional
LM741,elcualseusadebidoaquese necesitaparaobtenerlosvalorestanto
positivos como negativos de la onda.
Lasalidadecadaunodelosgeneradoresde
onda,lacualesunasealcuadrada,controla
lageneracindeunvoltajederampaquees obtenido a partir de un circuito
integrador. La seal de los comparadoresactacomo un
resetdelcircuitointegrador,demaneraque
cuandounvoltajeentrelneaylneaes
positivo,elvoltajederampaseactiva.El circuito fue implementado con
amplificadores operacin y BJTs.
Paranuestrasiguienteetapa,queeraotro
comparador,quenospermitagenerarpulsos
deanchovariableyquedabalasealde disparo(mediantelacomparacinentrela
rampaylasealdecontrol),utilizamosun
divisordevoltajeconunpotencimetroque nos permitiera variar el nivel
de comparacin. Figura17.Comparadorgeneradordepulsosconancho
variable Etapa comparador que genera pulsos de ancho variable,
Proteus Amplificador seguidor: Se presenta el acoplamiento entre la
etapa de controlylaetapadepotencia,elcualse realiz mediante el
optoacoplador MOC3010. Figura 18. Acoplamiento ptico Etapa de
acoplamiento ptico, Proteus Este acoplamiento se hace para aislar
la etapa decontrolconlaetapadepotenciayas evitar posibles daos en
el circuito. La siguiente parte del circuito es, finalmente, la
etapa de potencia que est construida por 4 SCRs, junto a la etapa
de acoplamiento. 2.Dibujarundiagramadebloquesque
incluyatodaslasetapasdelcircuitode control y del circuito de
potencia. Figura 19. Diagrama de bloques
Etapasdelcircuitodecontrolydepotencia,Microsoft Word 2010.
3.Dibujareldiagramacircuitaldelcircuito
depotencia,utilizandoeltransformadorde 120/12.5/12,5V,60hz. Figura
20. Circuito de potencia
MontajedelcircuitodepotenciarealizadoenOrcad PSPice. 16.3.
4.SimularenSPICE,laoperacindel circuito de potencia para= 30, 60,
90y 120 grados. V.EJECUCIN 1.Armarelcircuitodecontrolyelde
potencia,delpuenterectificadormonofsico
controladocondosSCR(utilizarel transformador reductor
120/12,5/12,5V) 2.Observarydesplegarlasformasdeonda
delvoltajedesalida,ylosvoltajesenlos
SCR,ytomarlasmedidascorrespondientes,para construir los siguientes
grficos: a. Voltajeeficazenlacargaenfuncindel voltaje de control
b.Angulodedisparoenfuncindelvoltaje de control c. Voltajes en los
SCR en funcin del tiempo. Utilizarunmultmetrodevaloreficaz
verdadero (true rms) y tomar las precauciones
requeridasparalasmedicionesconel
osciloscopio,entredosterminalesdelos cuales ninguno est conectado
al potencial de tierra. 3.Observar y representar las formas deonda
de los voltajes, a la salida de cada uno de los bloques del
circuito de control. VI.EVALUACIN 1.Dibujar los siguientes grficos:
a.VoltajeeficazenlacargavsVoltaje de control
b.AngulodedisparovsVoltajede control c.Voltajeenlacargapara=30,60,
90y120grados.Compararlaforma deondaobtenidaenelosciloscopio,
conlasimulacinenSPICEdel circuito. d.Formasdeondadelosvoltajes,ala
salidadecadaunodelosbloquesdel circuito de control.
2.Modificarelcircuitodecontrol,del controladordevoltaje,detalmanera
que se 3. I.mantengaelvoltajedesalida, cuandoelvoltajedeentrada
disminuya en 15%. CONCLUSIONES En un rectificador controlado
monofsico deondacompleta,esposiblevariarel
voltajepromediodelacargainductiva-resistiva con tan solo variar el
ngulo de disparo de los SCRs. Debidoaquenoesrecomendable
trabajarconvoltajesdeentrada superioresalosvoltajesdealimentacin de
los diferentes dispositivos electrnicos
utilizados,fuenecesarioincluirun divisordevoltajealasalidadelos
transformadores,paraatenuarelvoltaje de entrada a rectificar.
Eneldiseodelcircuitodecontrolpor cruzamientoconrampa,esdeespecial
cuidadoelclculoyescogenciadelos valores del capacitor y el
resistor, ya que sonstosquieneslimitanelvoltaje mximo.
Alimplementareldivisordevoltajedel comparadorconunpotencimetro,se
logra con ste variar fcilmente al ngulo de disparo de los SCRs.
Debido a la duracin del pulso de control requerida por los SCRs, es
necesaria una etapa RC a la salida del comparador, que
proveerladuracindelpulsoespecfica para el diseo.
Debidoalacorrientenecesariapara activar los optoacopladores, fue
necesario implementar un amplificador seguidor, el
cualproveeradichacorrienteparasu correcto funcionamiento.
