CONVERTIDOR CA A DC.Para ingresar en este tema se iniciara
indicando algunos conceptos bsicos de los rectificadores.La
distribucin de energa elctrica se hace en corriente alterna, la
facilidad de adaptacin del nivel de tensin por medio de
transformadores.Sin embargo, en muchas aplicaciones, la carga
alimentada requiere una tensin continua. La conversin CA/CC es
realizada por convertidores estticos de energa, comnmente
denominados rectificadores. Por tanto, un rectificador es un
sistema electrnico de potencia cuya funcin es convertir una tensin
alterna en una tensin continua.En una primera clasificacin, podemos
diferenciar los rectificadores de acuerdo con el nmero de fases de
la tensin alterna de entrada (monofsico, bifsico, trifsico). Dentro
de estos, podemos diferenciar los rectificadores en funcin del tipo
de conexin de los elementos (media onda y de onda completa). Otra
posible clasificacin es segn su capacidad de ajustar el valor de la
tensin de salida, ello depende de si se emplean diodos o
tiristores. Los rectificadores no controlados son aquellos que
utilizan diodos como elementos de rectificacin, en cuanto que los
controlados utilizan tiristores o transistores.RECTIFICADORES NO
CONTROLADOSA la hora de llevar a cabo la rectificacin, se han de
utilizar elementos electrnicos que permitan el paso de la corriente
en un sentido, permaneciendo bloqueado cuando se le aplique una
tensin de polaridad inapropiada. Para ello, en los rectificadores
no controlados, como ya se ha comentado, el componente ms adecuado
y utilizado es el diodo semiconductor.El diodo es un dispositivo
semiconductor de dos terminales, nodo y ctodo, que dejar pasar la
corriente cuando el nodo sea positivo respecto al ctodo, y no
conducir cuando la tensin aplicada a sus extremos sea la contraria.
Ello conlleva a que el diodo sea un componente adecuado para ser
utilizado, solo o con otros diodos, como rectificador.En estado de
bloqueo, la corriente que circula por un diodo recibe el nombre de
corriente de fugas y es prcticamente nula.Tambin se ha de tener en
cuenta, adems de la tensin directa (en conduccin) VF, la tensin
inversa que soporta el diodo VR.
RECTIFICADOR MONOFSICO DE MEDIA ONDA.Es el rectificador ms
sencillo que existe, y en consecuencia el ms barato. Simplemente es
necesario un diodo entre la alimentacin de alterna y la carga.
Podra existir un transformador si se desea aislamiento galvnico
entre la red elctrica y la carga. Este circuito slo rectifica la
mitad de la tensin de entrada; podemos considerarlo como un
circuito en el que la unidad rectificadora est en serie con la
tensin de entrada y la carga. Si modelamos la carga por una
resistencia, el anlisis es muy sencillo. El diodo conducir si la
tensin de entrada Vs es positiva. En ese caso, la tensin que ver la
carga ser aproximadamente la tensin de entrada, siempre y cuando
despreciemos la cada de tensin del diodo en estado de conduccin. Si
la tensin de entrada es negativa, el diodo no puede conducir dado
que ve una tensin nodo ctodo negativa. La carga ve una tensin nula
entre sus bornes, dado que no hay circulacin de corriente.
Fig.1: circuito rectificador de media onda y sus respectivas
ondas de entrada y salida.Las formas de onda con carga resistiva
para un rectificador monofsico con topologa de media onda, tambin
denominado de medio puente. El funcionamiento consiste en tomar de
la red una seal sinusoidal de valor medio nulo, proporcionar a la
carga, gracias al diodo, una forma de onda unidireccional, pero no
constante como se puede apreciar en la figura. 1. El nombre de
rectificador proviene del hecho de que se rectifica la onda y queda
la salida siempre positiva o nula.
Segn sea la amplitud de la tensin de alimentacin, tendremos un
determinado nivel de tensin continua a la salida.
RECTIFICADOR CON TRANSFORMADOR DE TOMA MEDIAEn este caso, para
rectificar la onda completa, se utilizan 2 diodos, en una
configuracin denominada, rectificador con transformador en toma de
center tac. Las figura.2. Muestra el circuito y las formas de onda,
respectivamente.
Fig.2: circuito rectificador de onda completa y sus respectivas
ondas.
RECTIFICADOR EN PUENTEEn este caso, para rectificar la onda
completa, se utilizan 4 diodos, en una configuracin denominada
puente completo o puente de Graetz. Recibe el nombre de puente
rectificador, por estar formado por cuatro diodos conectados en
puente y su principal ventaja respecto al rectificador de onda
completa con toma media es que no necesita transformador.Fig.3:
Circuito rectificador puente completo
En este caso, conducen siempre dos diodos simultneamente. Si la
tensin en la entrada del rectificador es positiva (semiciclo
positivo), conducirn D1 y D4 mientras que D2 y D3 estarn
polarizados inversamente y, por tanto, estarn bloqueados (OFF). Si
por el contrario, la tensin es negativa (semiciclo negativo),
conducirn D2 y D4. En general, para saber qu diodo puede conducir
hay que analizar cul de los cuatro tiene mayor tensin en su nodo y
cul de ellos tiene menos tensin en su ctodo.
Fig.4: Ondas de puente rectificador completo
RECTIFICADORES CONTROLADOSLos rectificadores que hemos visto
hasta ahora estaban basados en diodos, semiconductores sobre los
cuales no tenemos ningn control ni de encendido (puesta en
conduccin) ni de apagado (bloqueo). Si queremos controlar la tensin
de salida de un rectificador, es necesario utilizar semiconductores
de potencia que puedan ser controlados.Lo ms usual es utilizar
dispositivos de la familia de los tiristores. Por tanto, se puede
decir que los rectificadores controlados reciben este nombre por
que utilizan un dispositivo de control, en este caso el tiristor.
Se utilizan las mismas topologas que en el caso de los
rectificadores no controlados, pero sustituyendo los diodos por
tiristores. La ventaja de utilizar tiristores viene dada por la
capacidad de stos de retardar su puesta en conduccin, sucediendo
sta cuando la tensin nodo-ctodo sea positiva y adems reciba un
pulso adecuado de tensin y corriente en su puerta.Al retardar el
ngulo de disparo es posible variar la tensin rectificada de salida,
de ah el calificativo de controlados. En los rectificadores
controlados, por lo tanto, se controla la puesta en conduccin del
tiristor y el bloqueo se realiza de forma natural cuando se anula
la corriente por el dispositivo.RECTIFICADOR MONOFSICO CONTROLADO
DE MEDIA ONDALa topologa de un rectificador monofsico de media onda
controlado.Durante el semiciclo positivo de la tensin de entrada,
la tensin nodo-ctodo es positiva, de manera que el SCR puede entrar
en conduccin. Si en el instante respecto al paso por cero de la
tensin de entrada el circuito de control genera un pulso en la
puerta del SCR, ste empezar a conducir, haciendo que circule
corriente por la carga. En el instante , la tensin en la carga se
anula, provocando que la corriente sea nula y en consecuencia,
bloqueando de forma natural el SCR. El ngulo de disparo o ngulo de
fase se expresa en grados, para que su valor sea independiente de
la frecuencia, si bien en la realidad equivale a unos ciertos
milisegundos.Controlando el ngulo de disparo de los tiristores
somos capaces de enviar ms o menos energa a la carga, con lo que
estamos controlando el valor medio de la tensin de salida del
rectificador.
.
Fig.5. Circuito controlado de media onda y ondas controladas
RECTIFICADOR TIPO PUENTE DE DIODOS TOTALMENTE CONTROLADOEn 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. 6.
Fig.6. circuito puente de diodo controlado y sus ondas
controladasLos tiristores T1 y T4 conducirn durante el semiciclo
positivo 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.
RECTIFICADOR PUENTE COMPLETO CONTROLADO EL CICLO POSITIVO.
Este rectificador es una variacin del anterior, en este caso se
controla solo en semiciclo positivo y el semiciclo negativo no se
controla. Y es el que se utilizaran en nuestro prototipo.
Fig.7.circuito de puente completo controlado en semiciclo
positivoFILTROPara mejorar la forma de onda que aparece a la salida
de un rectificador es necesario el empleo de un filtro, bsicamente,
basado en un condensador. El condensador permite mantener la tensin
de salida casi constante, reduciendo el rizado de tensin final.
Fig.8.esquema de la onda filtrada.Para la realizacin del banco
de capacitores se debe tomar en cuenta la corriente mxima que va a
consumir la carga y el valor del pico mximo voltaje que ingreso al
circuito y aplicar a la siguiente ecuacin.C
En donde:Corriente mxima que va a consumir la carga.Voltaje pico
mximo que suministra la red.Frecuencia de la red.C =
Capacitancia.
CIRCUITO DE DISPARO.El circuito de disparo es el encargado de
controlar la el disparo del ngulo de conduccin de la onda, para
esto debe ser capaz de tomar una muestra de la red de 110vac u otro
tipo de Voltaje alterno de forma aislada.Esta muestra servir para
disparar los SCR segn el ngulo que se disponga, para disparar el
SCR de debe tener en cuenta el tiempo que se dispone desde el cruce
por cero de la onda esto es desde el cambio del ciclo positivo al
ciclo negativo. El tiempo del semiciclo es de 8ms para una
frecuencia de 60Hz, nuestro circuito debe ser capaz de disparar
dentro de los 8ms desde que detecto el cruce por cero.Para disparar
al SCR de Voltaje alterno se debe realizar de forma aislada.Para
aislar tanto la muestra de ingreso como la seal de disparo se
utiliza dispositivos optoaclopadores.
DESARROLLO DEL CONVERSOR AC-DCUna vez clara la idea de lo que se
requiere se procede a seleccionar en conversor, para este caso se a
escogido por tamao y requerimientos del sistema el conversor
rectificador puente completo controlado el ciclo positivo el mismo
que est formado por dos CSR de 300A - 400V y dos diodos de
100A-400V. (que se pudieron encontrar en el mercado), con miras a
aplicarlo en los diferentes ensayos posteriores.Para disear nuestro
banco de capacitores se tom en cuenta los capacitores que existen
en el mercado y los datos medidos en una soldadora y la corriente
que consumir nuestro sistema.Por medida el voltaje es de 34Vca y
por requerimiento la intensidad se estima igual a 50A. , los 34Vca
son rms, esto voltaje lo tenemos que pasar al voltaje pico mximo,
para ello multiplicamos por 1.4145 y restamos 2 de la cada de
tensin de los diodos del puente, dndonos como resultado 46.093Vca
de pico max.Ingresamos estos datos a la ecuacin.
Pasamos a microfaradios y lo redondeamos al inmediato superior
que es 8000000uF.Con este valor diseamos el banco de capacitores en
proteus.
Fig.9: Diseo de las placas.
CIRCUITO DE DISPARO.El control del elemento de potencia mediante
un micro controlador, se basa en dosificar la cantidad de tiempo
que se mantiene encendido el dispositivo a ser controlado. Para
dosificar la cantidad de tiempo debemos primero tomar una muestra
del voltaje a ser controlado, esto lo realizamos primero el
siguiente anlisis.La onda de voltaje de corriente alterna a 60Hz,
rectificada en onda completa, la cual tiene un periodo de , de F =
frecuencia de la red, 60Hz.T = periodo de la frecuencia.t =
semiperiodo de la frecuencia.Teniendo como resultado un t =
8.333ms.
Fig.10: forma de onda rectifica, para la nuestra.Para dosificar
la cantidad de tiempo requerido para el encendido del elemento de
potencia nos basamos en t = 8,33ms. Pero debemos saber desde que
momento a corre nuestro t, para ellos de debe realizar un circuito
de cruce por cero el cual nos permite obtener una nuestra del
voltaje a controlar, este circuito est conformado un opto
transistor el mismo que asla la parte de ac de la dc.
Fig. 11: Circuito de cruce por cero.La seal que ingresa en una
seal senoidal que al pasar por el opto se convierte en una seal
cuadrada de 5vdc que es manejable para el micro controlador. Esta
seal cuadrada tiene la misma frecuencia que la seal de voltaje
alterno los cual nos da un t = 8,33ms; en su nivel alto o bajo.Una
vez que obtenemos esta seal procedemos procesar esta informacin,
para esto trabajamos con en el micro controlador PIC 16f876A, como
el mdulo de interrupcin externa para dar prioridad al ingreso de la
seal, esta interrupcin va a detectar los flacos de subida y los
flancos de bajada de la seal para poder disparar la onda.El mdulo
de interrupcin externa que est en el pin B.0, para poder variar el
tiempo de disparo se realizara mediante dos pulsadores que nos
indicara el incremento del tiempo dndonos como resultado mayor
voltaje de salida y el decremento del tiempo de disparo dentro del
intervalo de 8,33ms.El micro controlador est programado bajo el
lenguaje de c, el mismo que nos permite manejar los mdulos en forma
eficaz y simple. El programa detecta el flanco de subida o el
flanco de bajada suministra un tiempo de espera antes de disparar
la onda. A continuacin se detalla el programa.#include //
declaracin del micro controlador a utilizar#fuses XT,NOWDT
//fusible de configuracin del funcionamiento del micro
controlador#use delay(clock=4000000) //velocidad de trabajo#use
fast_io(B) //declaracin del Puerto B y C, como entrada y salida
rpidas#use fast_io(C)#byte PORTC=0x07 //configuracin de los pines
C.0, C.1 y C.2 con byte (uno o cero)unsigned int16 fase=50536;
//51536-57536 // variable con un valor inicial para el disparo del
scrint1 cambio=1,p=1;//variable para el control del flanco de
subida o bajada
#int_TIMER1 //Interrupcin del TIMER1 // funcin de interrupcin
del mdulo timer para activar al scrvoid time(){
output_high(PIN_C0); //Se desbord el TIMER1 y pongo en "0" el gate
del triac output_high(PIN_C1);}
#INT_EXT // funcin de Interrupcin externa.void cero() //Funcin
de la interrupcin externa{ output_low(PIN_C0); //Pongo en "1" el
gate del triac output_low(PIN_C1); set_timer1(fase); //reinicio el
timer para el disparo del scr enable_interrupts(INT_TIMER1);
//llamo a la funcin interna del timer if(cambio==0) //Para ver con
que flanco de interrumpir ahora { ext_int_edge(H_TO_L);
//Interrupcin con flanco de bajada cambio=1; //Cambia para que la
proxima la interrupcin sea en flanco de subida } else {
ext_int_edge(L_TO_H); //Interrupcin con flanco de subida cambio=0;
//Cambia para que la proxima la interrupcin sea en flanco de bajada
}}
void main() //Funcin principal{ set_tris_c(0);//inicializo el
puerto C.0 y C.1 para disparar el scr. set_tris_c(1);
ext_int_edge(L_TO_H); //Primera interrupcin se dar en flanco de
subida setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_1); //Configuracin de
TIMER1 enable_interrupts(INT_EXT); //Habilito interrupciones
externas enable_interrupts(GLOBAL); //Habilito las interrupciones
generales for(;;) { if(input(PIN_B4)==1) //Si el pulsador se ha
apretado baja el tiempo de disparo { if(fase50536)//64536-51536
rango de intervalo entre 8.33-1.00ms { delay_ms(10); fase=fase-20;
} } //Aumenta la potencia if(input(PIN_B5)==1) //Si el pulsador se
a apretado sube el tiempo de disparo {
if(fase>=50536&&fase
