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Rectificadores > Introducción
INTRODUCIÓN
Análisis
General
El montaje rectificador básico es el Rectificador Monofásico Simple, que consiste en un
sólo semiconductor ( diodo o tiristor ) conectado en serie con una fuente de alimentación
alterna sinusoidal y una carga.
Así pues, para comprender un poco mejor el comportamiento de un rectificador en
función de su carga, se hace un estudio genérico empleando las configuraciones más
comunes, para este montaje con un sólo diodo: El Rectificador Monofásico Simple. Las
cargas empleadas son:
Carga R Carga L infinita Carga RC Diodo Libre Circulación
Carga LC Carga RLC Carga RL Inductancia de Fuente
Diodo con carga R
El esquema del circuito es el siguiente:
Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice
Este montaje conecta una fuente de
tensión alterna senoidal como fuente de
alimentación.
El resultado es una corriente de salida en
fase con la tensión , de la misma frecuencia
y amplitud.
Si la tensión de entrada es de la forma:
vs(t) = A·sen (v·t)
ec. 1.1
-La amplitud de la corriente es (Vm / R) = (Vm /
2)-
La corriente de salida será de la
forma:
io (t) = (A/R)·sen (v·t)
ec. 1.2
La tensión de salida será de la
forma:
vo (t) = R·sen (v·t),
para 0[vt[p/2
ec. 1.3
Así pues, los resultados de la
simulación con PSpice se pueden
observar en la gráfica de la
izquierda.
Es fácilmente apreciable como el
valor de pico de la corriente de
salida corresponde a la mitad del de
la tensión, por ser R = 2 Ohms.
Carga
R
Carga L
= :
Carga
LC
Carga
RLC
Carga
RC
Carga
RL
Diodo
L.C.
Induct. de
Fuente
Diodo con carga L infinita
Este montaje conecta una fuente de tensión alterna senoidal como fuente de
alimentación, en serie con una fuente independiente de corriente continua.
El hecho de emplear como carga una fuente de corriente hace que la respuesta de
salida de éste sea semejante al empleo de un inductancia de valor infinito.
El esquema del circuito es el siguiente:
Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice
El efecto de esta inductancia infinita
hace que, ente entrada senoidal, el punto
de conmutación natural se retrase
debido a la energía almacenada en ella, hasta tal punto que la tensión de salida se
hace continua, valiendo:
Por acción del diodo (ec. 2.1)
vo (t) = A·sen (v·t), 0[vt[p/2
Por acción de la inductancia (ec. 2.2)
vo (t) = A·sen (v·t), p/2[vt[2p
Para la simulación con PSpice hemos combinado los montajes con cargas L de valor
finito, L infinita (fuente de corriente), con fuente de tensión configurable por
tramos.
También lo conjugamos con carga L infinita y carga L finita con alimentación
senoidal.
-La corriente es continua, la tensión dura todo
el ciclo-
En las gráficas obtenidas cabe
destacar, como ya hemos dicho, que la
tensión de salida dura todo el ciclo
(Vo1), debiéndose el ciclo negativo al
efecto de la inductancia. A este modo
se le denomina Inversor, pues en vez
de consumirse potencia, ésta se entrega
a la fuente.
En cambio, para un valor finito de L
(y no excesivamente elevado), el
funcionamiento como Inversor dura
sólo el tiempo que tarda la bobina en
devolver la energía almacenada, y no
todo el semiciclo. Es el caso de (Vo2).
Del mismo modo, reseñar que para este caso, al cambiar la tensión de alimentación de
positiva a negativa, o viceversa, no existe cambio en la corriente, por ser ésta continua
(Io1). Sin embargo, para una inductancia de valor finito este cambio es progresivo
(Io2).
Carga
R
Carga L
= :
Carga
LC
Carga
RLC
Carga
RC
Carga
RL
Diodo
L.C.
Induct. de
Fuente
Diodo con carga RC
El esquema del circuito es el siguiente:
Hay que hacer notar que para el este
estudio se emplea una fuente de tensión
continua conmutada con un interruptor,
que se cierra o se abre en el instante que
determinemos.
Para la simulación con Pspice
emplearemos una fuente de tensión
configurable por tramos, que nos permitirá
emular los instantes de apertura y cierre del
interruptor.
Cuando se cierra el interruptor S en t =0, la corriente de carga i, que fluye a
través del capacitor se puede determinar a partir de:
ec. 3.1
ec.
3.2
Con la condición inicial de VC( t=0) = 0, la solución de la ecuación (3.1) nos da la
corriente de carga i como
ec. 3.3
El voltaje del capacitor Vc es
ec. 3.4
donde t = R·C es la constante de tiempo de una carga RC. La velocidad de cambio
en el voltaje del capacitor es
ec. 3.5
y la velocidad de cambio inicial del voltaje del capacitor (cuando t = 0) se obtiente a
partir de la ecuación ( 3.5 ):
ec. 3.6
La simulación con Pspice quedará como sigue:
Pulse aquí para abrir este montaje en
Pspice.
Carga
R
Carga L
= :
Carga
LC
Carga
RLC
Carga
RC
Carga
RL
Diodo
L.C.
Induct. de
Fuente
Diodo con carga RL
El esquema del circuito es el siguiente:
Al igual que en el estudio del montaje
anterior, el esquema representa una una
fuente de tensión continua conmutada con
un interruptor, que se cierra o se abre en el
instante que determinemos.
Del mismo modo, para la simulación con
Pspice emplearemos una fuente de tensión
configurable por tramos, que nos permitirá
emular los instantes de apertura y cierre del
interruptor.
Cuando el interruptor S se cierra en t = 0, la corriente i a través del inductor aumenta
y se expresa como
ec. 4.1
Con la condición inicial i (t = 0) = 0, la solución de la ecuación ( 4.1 ) da
ec. 4.2
La velocidad de esta corriente se puede obtener a partir de la ecuación (4.2) como
sigue:
ec. 4.3
y la velocidad inicial de elevación de la corriente, en t = 0, se obtiente de la ecuación
ec. 4.4
El voltaje VL a través del inductor es:
ec. 4.5
cuando L/R = es la constante de tiempo de una carga RL.
Si t >> LR, el voltaje a través del inductor tiende a cero y su corriente alcanza un
valor de régimen permanente de Is=Vs/R. Si en ese momento se intenta abrir el
interruptor S, la energía almacenada en el inductor (E=0.5·L·i2) se transformará en un
alto voltaje inverso a través del interruptor y del diodo. Esta energía se disipará en
forma de chispas a través del interruptor y es probable que el diodo se dañe en este
proceso. Para resolver esta situación se conecta un diodo comúnmente conocido como
diodo de marcha libre (free wheeling diode) a través de la carga inductiva. Veremos
este montaje un poco más adelante.
La simulación con Pspice quedará como sigue:
Pulse aquí para abrir este montaje en
Pspice.
Carga
R
Carga L
= :
Carga
LC
Carga
RLC
Carga
RC
Carga
RL
Diodo
L.C.
Induct. de
Fuente
Diodo con carga LC
El esquema del circuito es el siguiente:
Al igual que en el estudio del montaje
anterior, el esquema representa una una
fuente de tensión continua conmutada con
un interruptor, que se cierra o se abre en el
instante que determinemos.
Del mismo modo, para la simulación con
Pspice emplearemos una fuente de tensión
configurable por tramos, que nos permitirá
emular los instantes de apertura y cierre del
interruptor.
Cuando se cierra el interruptor S en t = 0, la corriente de carga i del capacitor se
expresa como
ec. 5.1
Concondiciones iniciales i (t = 0) = 0 y vc (t = 0) = 0, se puede resolver la ecuación
(5.1) en función de la corriente del capacitor como
ec. 5.2
donde
y la corriente de pico
Ip es
La velocidad de elevación de la corriente se obtiene a partir de la ecuación (5.2)
como
ec. 5.3
y la ecuación (5.3) da la velocidad de elevación de la corriente en t = 0 como
ec. 5.4
El voltaje Vc a través del capacitor se puede deducir como
ec. 5.5
En un momento t = t1 = raiz LC, la corriente del diodo i cae hasta cero y el capacitor
se carga hasta 2Vs.
La simulación con Pspice quedará como sigue:
Pulse aquí para abrir este montaje en
Pspice.
Carga
R
Carga L
= :
Carga
LC
Carga
RLC
Carga
RC
Carga
RL
Diodo
L.C.
Induct. de
Fuente
Diodo con carga RLC
El esquema del circuito es el siguiente:
Al igual que en el estudio del montaje
anterior, el esquema representa una una
fuente de tensión continua conmutada con
un interruptor, que se cierra o se abre en el
instante que determinemos.
Del mismo modo, para la simulación
con Pspice emplearemos una fuente de
tensión configurable por tramos, que nos
permitirá emular los instantes de apertura
y cierre del interruptor.
Si el interruptor se cierra en t =0 podemos utilizar la ley de las tensiones de Kirchoff
para describir la ecuación de la corriente de carga i como
ec. 6.1
con condiciones iniciales i(t=0) = 0 y Vc(t=0) = Vo. Al diferenciar la ecuación (6.1)
y diferenciar ambos miembros entre L, obtenemos
ec. 6.2
Bajo condiciones de régimen permanente, el capacitor está cargado al voltaje de
fuente Vs, siendo corriente de régimen permanente cero. También en la ecuación
(6.2) es cero la componente forzada de la ecuación de la corriente. La corriente se
debe a la componente natural.
La ecuación característica en el dominio de Laplace de s es
ec. 6.3
y las raíces de la ecuación cuadrática (6.3) están dadas por
ec. 6.4
Definiendo de antemano dos propiedades importantes de un circuito de segundo
orden:
Factor de
amortiguamiento:
ec.
6.5
Frecuencia
de
resonancia:
ec.
6.6
Sustituyendo los valores en la ecuación (6.4)
obtenemos:
ec.
6.7
Entonces, la solución en función de la corriente tiene tres casos posibles:
Circuito críticamente amortiguado ( I3 en la gráf.): Se da para = o ,
entonces, s1=s2:
ec. 6.8
Circuito sobreamortiguado ( I2 en la gráf.): Se da para > o , entonces:
ec. 6.9
Circuito subamortiguado: Se da para < o,
entonces:
ec.
6.10
donde r se conoce como la frecuencia de
resonancia:
ec.
6.11
La solución toma la forma de una sinusoide amortiguada ( I1 en la gráf.):
ec. 6.12
Las costantes A1 y A2 se pueden determinar a partir de las condiciones
iniciales del circuito. La relación / o se conoce como relación de
amortiguamiento .
La simulación con Pspice quedará como sigue:
Pulse aquí para abrir este montaje en
Pspice.
Carga
R
Carga L
= :
Carga
LC
Carga
RLC
Carga
RC
Carga
RL
Diodo
L.C.
Induct. de
Fuente
Circuito con diodo de libre circulación
El esquema del circuito es el siguiente:
Al igual que en el estudio del montaje
anterior, el esquema representa una una
fuente de tensión continua conmutada con
un interruptor, que se cierra o se abre en el
instante que determinemos.
Del mismo modo, para la simulación con
Pspice emplearemos una fuente de tensión
configurable por tramos, que nos permitirá
emular los instantes de apertura y cierre del
interruptor.
Si el interruptor S se cierra durante un tiempo t1, se establece una corriente a través de
la carga; si entonces se abre el interruptor, se debe encontrar una trayectoria para la
corriente de la carga inductiva. Esto se efectúa normalmente conectando un diodo DL tal
y como se representa en la figura. Este diodo se denomina diodo de libre circulación o
de marcha libre (en inglés, free wheeling diode).
La operación del circuito se puede dividir en dos modos:
Modo 1.
Comienza cuando se cierra el intrruptor en t = 0. Acabará con la apertura del
mismo en t = t1.
Durante este periodo el valor de la corriente a través del diodo D será:
ec. 7.1
La corriente en el instante de apertura del interruptor ( t = t1 ) es:
ec. 7.2
Si el tiempo t1 es lo suficientemente largo, la corriente llega al valor de régimen
permanente y una corriente Is = Vs/R fluye a través de la carga.
Modo 2.
Este modo comienza cuando se abre el interruptor y la corriente de carga
empieza a fluir a través del diodo de marcha libre, DL . Si redefinimos el origen
del tiempo al principio de este modo, la corriente a través de DL se encuentra a
partir de:
ec. 7.3
con la condición inicial i ( t = 0 ) = I1. La solución a la ecuación anterior da la
corriente libre if = i2 como:
ec. 7.4
esta corriente decae en forma exponencial hasta cero en el momento t = t2,
siempre y cuando t2 >> L/R. Las formas de onda de las corrientes se pueden
observar en la gráfica inferior.
La simulación con Pspice quedará como sigue:
Pulse aquí para abrir este montaje en
Pspice.
Para el caso de Vs senoidal ( VSIN: DC=0V, AC=0V; VOFF=0V, VAMP=170V,
FREC=50Hz)
Con diodo de libre circulación Sin diodo de libre circulación
Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice.
Carga
R
Carga L
= :
Carga
LC
Carga
RLC
Carga
RC
Carga
RL
Diodo
L.C.
Induct. de
Fuente
Efecto de la inductancia de fuente.
Supondremos que la carga puede ser representada por una fuente de corriente constante.
Debido al valor finito de Ls, el cambio de is para pasar de +Id a -Id ( viceversa) no
se hace de modo instantáneo. El intervalo de tiempo finito requerido para esa
transición se denomina tiempo de conmutación, o intervalo de conmutación , y este
proceso en el que la corriente cambia de un diodo ( conjunto de diodos) a otro se
denomina proceso de conmutación.
Para comprender el proceso completo consideraremos un circuito como el de la figura.
Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice.
En un periodo anterior a t=0, el
voltaje vs es negativo y la corriente Id
circula a través de D2 haciendo vd=0 y
is=0. Cuando vs se hace positivo, D1
queda polarizado directamente y
comienzaría a conducir. Pero la presencia
de Ls hace que la inversión de la corriente
is no se haga instantánea, retrasando el
instante de comuntación un intervalo .
Así pues, el valor medio de la tensión de salida quedará reducido en función del
valor de Ls. Esta reducción se puede observar en la gráfica, pues corresponde a la zona
rayada en azul.
Para calcular el valor de este área, consideraremos inicialmente la tensión en la
inductancia:
ec. 8.1
La parte derecha de la ecuación puede ser escrito como
, entonces
ec. 8.2
Integrando a ambos lados de la ecuación, y sabiendo que is va de 0 a Id durante el intervalo
de conmutación , obtenemos:
ec. 8.3
Así pues, el término de la izquierda representa el área de la curva marcado como A,
que valdrá:
ec. 8.4
Combinando las dos ecuaciones anteriores nos queda que:
ec. 8.5
Cabe destacar entonces que el ángulo de conmutación puede ser calculado en todo
momento como un producto de Ls, , y el incremento en la corriente a través de la
inductancia.
ec. 8.6
Con ésta última ecuación se confirma que para un valor nulo de Ls, se tiene que = 0,
lo que significa que la conmutación se hace de forma instantánea.
Un valor de Ls distinto de cero hace que la tensión media de salida se vea
decrementada. Por lo tanto, si el valor de dicha tensión para Ls = 0 es
ec. 8.7
Con un valor distinto de cero se tiene:
ec. 8.8
Pudiéndose escribir también como:
ec. 8.9
Donde sustituyendo por las ecuaciones ( 8.3 ) y ( 8.7 ) obtenemos:
ec. 8.10
De esto deducimos fácilmente que la reducción de la tensión media de salida es:
ec. 8.11
Introducción
Rectificadores > Análisis General
ANÁLISIS GENERAL
Tensiones
de Salida
En el momento del análisis de los Circuitos Rectificadores de Potencia uno de los resultados
más importantes es la forma de onda de la tensión de salida. A partir de él, y dependiendo de
la carga empleada, se pueden calcular las distintas corrientes que atraviesan el circuito.
Esta tensión de salida será función, evidentemente, de los valores de la fuente de
alimentación, y, además, del tipo de configuración empleada, entrando en juego el número de
ramas que conectamos y si éstas se asocian en serie o en paralelo
Así pues, existen una serie de ecuaciones genéricas que describen, en función de los
parámetros p, q , s, la tensión a la salida del rectificador, tanto para los controlados como para
los no controlados. Estas ecuaciones son las que se encuentran deducidas en el apartado
Tensión de Salida.
Por otra parte, el rectificador debe proporcionar una salida con el menor contenido armónico
posible. La calidad del procesamiento de la energía por parte del rectificador requiere de la
determinación del contenido armónico de la corriente de entrada, del voltaje de salida y de la
corriente de salida. Bien, pues son éstos, y otros, los parámetros analizados en el apartado de
Parámetros de Rendimiento.
Análisis
General
Rectificadores > Análisis General > Cálculo de las Tensiones de
Salida
TENSIONES DE SALIDA
Parámetros
Rendimiento
Cálculo de la Tensión Media de Salida Ideal ( Vdo )
Cosideraremos la tensión de salida ideal a aquella en la que las pérdidas debidas a los
efectos de las capacidades e inductancias de los distintos componentes se consideran nulas.
-Tensiones de alimentación, en estrella, de un
Puente Trifásico-
Tomaremos como ejemplo para este
estudio la salida obtenida en un
Rectificador en Puente Trifásico.
En éste montaje, el número de
cúpulas de salida es:
p = q·s = 3·2 = 6
Así pues, cada diodo conducirá durante
un periodo igual a:
2p/p = 2p/6 = p/3 = 60º
Si la tensión de la fuente de
alimentación es:
Entonces, el cálculo de la tensión media consiste en igualar áreas, para el mismo
intervalo:
Tensiones
de Salida
Rectificadores > Análisis General > Parámetros de Rendimiento
PARÁMETROS DE
RENDIMIENTO
Edición
PSPice
Análisis Armónico de la Tensión de Salida en Corriente Continua
La tensión de salida de un convertidor de potencia está constituida por una componente
continua, Vdo del rectificador teórico, que lleva superpuesta una componente alterna.
La componente alterna produce intensidades de salida en la carga con una componente de
ondulación alterna que , como sucede con motores de corriente continua, baterías, ... puede
llegar a producir efectos perjudiciales en ella.
Para el estudio de este efecto procederemos al Análisis de Fourier de la onda de salida.
Análisis de Fourier
Bajo condiciones de régimen permanente, el voltaje de los recificadores es, por lo
general, una función periódica del tiempo, definida por:
ec. 1
donde T es el tiempo periódico. Si f es la frecuencia en hertz del voltaje de salida, la
frecuencia angular será:
ec. 2
pudiéndose escribir la ecuación 1 como:
Parámetros
Rendimiento
Rectificadores > Edición y Simulación con PSpice
EDICIÓN Y SIMULACIÓN
CON PSPICE
No
Controlados
En esta unidad didáctica no se pretende dar una visión pormenorizada del manejo del
programa PSpice de Microsim, si no simplemente tener los conocimientos suficientes
para poder simular circuitos electrónicos de potencia y trabajar así sobre los resultados
obtenidos.
En este apartado vamos a explicar los pasos básicos para la creación de un circuito y
su posterior simulación. Los pasos a seguir se detallan a continuación.
Paso 1: Creación del espacio de trabajo.
Arrancamos el programa MicroSim Design Manager desde su icono
correspondiente
.
Desde el menú File>>New Workspace y en la ventana que aparezca elegimos
ubicación y nombre de nuestro proyecto. Con esto crearemos un directorio donde se
irán almacenando todos los ficheros que vayamos creando.
Ventana New Workspace
Paso 2: Cargar las bibliotecas
Desde la ventana de MicroSim Design Manager ejecutamos MicroSim
Schematics en
o bien en el menú Tools >>Schematics.
A continuación hemos de comprobar que disponemos de la biblioteca que contiene los
componentes que vamos a necesitar. Para ello desde la ventana del editor de esquemas
seleccionamos el menú Options >> Editor Configuration...
-Ventana de configuración del editor-
-
Ventana de gestión de librerías-
Pulsamos Library Settings, y en la nueva ventana con el botón Browse... buscamos
nuestra biblioteca. Una vez localizada ( su ruta ha de aparecer en Library Name),
pulsamos Add*, con lo que se añadirá a la lista del recuadro inferior, y luego OK. En la
ventana Editor Configuration pulsamos de nuevo OK y ya lo tenemos.
No olvidemos que sólo podemos tener 10 bibliotecas ( limitado por ser versión
estudiante), así que hemos de eliminar las no necesarias ( se puede hacer desde Library
Settings, con el botón Delete).
Paso 3: Colocación de componentes
Vamos a proceder a colocar un elemento. Presionamos sobre el icono superior
-Ventana Get New Part-
-... tras pulsar el botón Libraries...-
Podemos seleccionar el elemento desde la ventana Part Browser Advanced. Una vez
seleccionado, presionando el botón place, nos permitirá arrastrar el elemento hasta la
zona donde lo queramos situar.
Ahora bien, si queremos buscar un elemento en una biblioteca concreta, presionamos el
botón Libraries, y en la ventana que aparezca ya podemos especificar la biblioteca ( a la
derecha ) y el elemento ( a la izquierda ). Pulsamos OK y ya está.
-Presionamos Place y arrastramos el elemento donde queramos.-
De este modo colocamos todos los elementos que vayamos a necesitar en el circuito, y
con el botón Close cerramos esta ventana.
Una vez dispuestos todos los dispositivos, los reordenamos situando el cursor sobre
ellos y haciendo click ( se pondrán en rojo ), y presionando el de nuevo botón izquierdo
del ratón sin soltarlo lo arrastramos hasta la posición deseada.
A continuación cableamos los elementos ya dispuestos. Esto se hace
presionando sobre
y
unimos
los extremos de los componentes. Ya tenemos nuestro circuito diseñado.
**Nota**: No olvidar añadir en todo circuito la parte GND_GROUND, que será la
referencia 0 o masa.
Paso 4: Edición de parámetros de los componentes
Ahora hay que editar las características de cada componente, esto es, por ejemplo,
poner que el valor de la resistencia sea 25 Omhs, o la tensión de pico de una fuente de
senoidal sea de 220 Volts.
Esto es muy sencillo. Simplemente con doble click sobre el elemento se abrirá el menú
para configurar todas las características del mismo. Simplemente es ir rellenando con
nuestros datos.
Pinchamos con el cursor sobre el
Configuración de parámetros del elemento VSIN
parámetro, cuyo nombre aparecerá
entonces donde pone name.
Hay entonces que escribir en el
recuadro Value el valor que queramos
darle.
Para que el cambio tenga efecto hay
que presionar Save Attr a cada
configuración de cada parámetro.
Al finalizar con todos, OK y ya está
hecho.
Paso 5: Edición del modelo para diodo
A la hora de ajustar los parámetros de un diodo genérico, nombrado como d en las
biblitecas, es importante configurar bien el modelo de diodo. Esto significa que en un
archivo de texto tendremos descritos los parámetros característicos según nuestra
necesidad, y los podremos cambiar cuando deseemos sin más que modificar este archivo
de texto.
Para ello editamos un archivo con un editor de texto plano ( como notepad, por
ejemplo) con las siguientes líneas, que describen los valores de los parámetros que
deseamos que tenga nuestro diodo.
.model dmod d ( IS=2.22E-15 BV=1800V TT=0 CJO=0 ) <ENTER>
<-------------------- linea en blanco ------------------>
Este archivo lo guardaremos en el directorio UserLib que se encuentra een el directorio
raíz de nuestra instalación de MicroSim. Se salvará con la extensión *.lib
Para configurar el modelo del tiristor, haga click aquí.
Paso 6: Aplicación del modelo.
Añadimos biblioteca creada
Para que lo editado en nuestro archivo
.lib tenga efecto sobre nuestro circuito, se
efectúa lo detallado a continuación.
Desde la ventana de MicroSim
Schematics vamos a Analysis >> Library
and include files...
Desde el botón de Browse... buscamos
nuestro archivo (en este ejmplo será
"mia2.lib"), y pulsamos Add Library*.
Aparecerá entonces la ruta completa a
este archivo en recuadro Library Files.
Damos a OK.
Con esto hemos logrado tener a nuestra
disposición la biblioteca creada por
nosotros mismos, para todos los montajes
que realicemos en adelante.
Ahora pasamos a la parte de la
simulación.
Paso 7: Preparando la simulación
Procedemos a configurar los parámetros para la parte del análisis. Para ello
pulsamos
Aparecerá la siguiente ventana:
Seleccionamos el análisis transitorio
Por el momento sólo nos vamos a interesar por el apartado de análisis transitorio (
Transient ... ).
En la ventana siguiente aparecen los siguientes
campos de configuración:
Editamos los parámetros de
cálculo
- Print Step: Especifica el intervalo usado para
imprimir los resultados del análisis transitorio. Este
parámetro sólo tiene efecto sobre sobre el archivo de
la salida, no sobre el archivo Probe.
- Final Time: Es el tiempo final hasta el cual se
calcula el comportamiento del circuito.
- No-Print Delay: Especifica el tiempo, a partir de
cero, durante el cual no se calculará el
comportamiento, tanto para el archivo de salida
como para el archivo Probe.
- Step Ceiling: Especifica un tiempo mayor o
menor que el intervalo Print Step. Este parámetro
ajusta la exactitud durante la simulación analógica,
calculando más o menos puntos de la función sugún
se requiera.
Para que quede más claro veamos unos ejemplos de
gráficas de salida según el valor de éstos parámetros:
En las dos primeras gráficas se aprecia una curva senoidal con forma irregular (
aparecen algunos picos, las bases de las senoides no están bien definidas ). Aunque
variemos el parámetro Print Step, no logramos mayor definición.
-Sinusoide irregular.-
-Sinusoide irregular. Print Step no la
mejora-
Print Step: 1ms Final Step: 50 ms
No-Print Delay:
[vacío]
Step Ceiling:
[vacío]
Print Step: 0.1ms Final Step: 50 ms
No-Print Delay:
[vacío]
Step Ceiling:
[vacío]
En las dos siguientes se aprecia una mayor definición de la curva, por haber variado el
parámetro Step Ceiling. Además, la última de ellas ilustra el efecto del parámetro No-
Print Delay.
-Sinusoide mejorada gracias al cambio en
Step Ceiling.-
-Sinusoide recortada por el cambio en No-
Print Delay.-
Print Step: 0.1ms Final Step: 50 ms
No-Print Delay:
[vacío]
Step Ceiling:
0.01ms
Print Step: 0.1ms Final Step: 50 ms
No-Print Delay:
4ms
Step Ceiling:
0.01ms
El resto de los parámetros que aparecen en la ventana de opciones no tienen ahora
relevancia, por lo que no se explicarán.
Tras ésta configuración, pasamos a la representación gráfica de las funciones.
Paso 8: Visualizando las gráficas.
Desde la ventana de Microsim Schematics pulsamos el icono simulate
Se comienzan a calcular los valores de la salida, cuyo progreso se ve en una ventana
como esta:
-Progreso del cálculo de puntos del análisis transitorio.-
Y a continuación se abre la siguiente ventana:
-Ventana principal Microsim Probe, para visualización de gráficas.-
Ahora, para visualizar las gráficas de las tensiones o corrientes en los puntos que
deseemos tenemos dos opciones:
-Opcion 1: Desde el editor de esquemas, pulsando los
iconos
colocamos bien
un
"voltímetro", bien un "amperímetro" en el punto del circuito que queramos.
-Opcion 2: Desde el la ventana Microsim Probe,
con el icono
accedemos a una ventana
que nos
permite elegir entre múltiples funciones de salida a graficar.
-Selección de voltajes, corrientes y funciones aritméticas a graficar.-
Si bien la Opción 2 es más completa, puesto que no sólo ofrece funciones de tensión e
intensidad instantánea ( que es el caso de la Opción 1 ), si no que permite calcular valores
medios, valores eficaces, ecuaciones matemáticas teniendo como miembros tensiones y
corrientes, ... Para nuestros primeros pasos con el programa se sugiere el empleo de la
Opción 1 por su sencillez y eficacia.
Hacer notar también que no es necesario presionar sobre el icono simulate cada vez
que añadamos un nuevo "voltímetro" o "amperímetro". Sólo será necesario si añadimos o
modificamos las características de alguno de los componentes del circuito.
Así pues, siguiendo estos sencillos pasos seremos capaces de editar nuestro propio
circuito y comprobar las tensiones y corrientes que circulan por él.
Nota: Si desea información adicional sobre este tema consulte la Guía PSpice.
Edición
PSpice
Rectificadores > No Controlados
RECTIFICADORES
NO CONTROLADOS
Trifásico
Simple
Este tipo de rectificadores emplea como semiconductor el diodo. Se denominan de
este modo porque no permiten controlar la potencia de salida, es decir, para una
tensión fija de entrada la tensión de salida es también fija.
Puesto que ya ha sido explicado el comportamiento para diferentes cargas del
circuito rectificador más simple y básico, el rectificador monofásico de media onda,
en este apartado se hará el estudio de los montajes más comúnmente empleados:
- Rectificador trifásico simple.: Emplea tres ramas con un diodo cada una. La
alimentación de las ramas es trifásica ( estrella o triángulo ). La salida son tres
cúpulas por ciclo.
- Rectificador hexafásico.: Emplea 6 ramas rectificadoras simples ( 6 diodos ),
generando también una salida de 6 cúpulas. No obstante la potencia lograda a la
salida será menor que para el caso del puente trifásico.
- Rectificador monofásico de onda completa: Emplea dos ramas rectificadores en
serie ( 4 diodos ), proporcionando en su salida dos cúpulas positivas de tensión
por ciclo.
- Rectificador en puente trifásico.: Emplea dos rectificadores trifásico simple
conectados en serie, logrando 6 cúpulas de salida, lo que disminuye el rizado.
-Rectificador Trifásico
Simple-
-Rectificador Hexafásico-
-Rectificador en Puente Monofásico-
-Rectificador en Puente Trifásico-
En el estudio de cada rectificador se procederá a un análisis genérico y a la
simulación del mismo según variaciones en su configuración, bien sea en la carga,
bien en la fuente de alimentación.
Para simplificar el estudio y hacerlo fácilmente comprensible se considerarán los
semiconductores ideales, lo cual significa que el tiempo de recuperación inversa y la
caída de voltaje directo son prácticamente despreciables ( trr = 0, VD = 0 ). El
modelo empleado para el diodo ya ha sido comentado varias veces. Sus parámetros y
configuración puede consultarlos aquí..
Cabe recordar que para los rectificadores controlados el valor medio de la tensión
de salida es:
para una alimentación senoidal de la forma:
vs (t)= Vm sen (vt + f)
donde, según la notación que emplearemos:
- Rectificadores Polifásicos Simples: VG = Vm =
VS
- Rectificadores Trifásico Serie, alimentación en
estrella:
VG
=
VS· 2cos (p/p)
=
Vm
Las tensiones aquí reseñadas se refieren a :
· Tensión Generatriz VG: Valor de pico de la tensión de salida del rectificador.
· Tensión de Alimentación VS: Valor de pico de la tensión de la fuente de
alimentación.
· Tensión eficaz Vm: Valor eficaz de la tensión de alimentación VS.
No
Controlados
Rectificadores > No Controlados > Trifásico Simple
TRIFÁSICO SIMPLE
Hexafásico
Funcionamiento Simulación
Se trata de un montaje que emplea un sólo grupo conmutante trifásico simple.
Por lo tanto, los parámetros p, q, s estudiados son, para este caso:
q = 3 s = 1 p = 3
A efectos de análisis éste montaje podría considerarse como tres rectificadores
monofásicos de media onda, alimentado cada uno de ello por una tensión Vs, las
cuales desfasan entre sí un ángulo 2p/p = 2p/3 = 120º
Para el caso que nosotros estudiaremos, las fuentes de alimentación Vs1, Vs2,
Vs3 se encuentran conectadas en estrella. Entonces, para esta configuración
tenemos que:
Tensión de Línea : VL =
·VM
Corriente de línea: IL = IM /
Con lo dicho, si Vs1= Vm sen
(vt), tendremos que:
Vs1= Vm sen (vt)
Vs2= Vm sen (vt + 2p/3)
Vs3= Vm sen (vt - 2p/3)
Por lo tanto, atendiendo a lo comentado en el apartado de Tensiones de Salida (
ángulo cero de referencia igual a: p / 2 - p / p = p / 6 = 30º), la secuencia de
conducción de los diodos es:
Diodos Periodo
D1 p/6<vt<5p/6 ( Vs1>{Vs2, Vs3}>0 )
D2 3p/2<vt<2p , 0<vt<p/6 ( Vs2>{Vs1, Vs3}>0 )
D3 5p/6<vt<3p/2 ( Vs3>{Vs1, Vs2}>0 )
Los convertidores trifásicos suministran un voltaje de salida más alto, y
además la frecuencia de las componentes ondulatorias del voltaje de salida es mayor
en comparación con los convertidores monofásicos. Como consecuencia, los
requisitos de filtrado para suavizar la corriente y el voltaje de carga son más
sencillos. Por esta razón los rectificadores trifásicos se emplean para la consecución
de potencias de salida elevadas, superiores a 15 kW, por ejemplo, en propulsores de
velocidad variable de alta potencia.
Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale:
En el apartado de simulación se realizarán dos montajes con diferentes
variaciones:
- Carga resistiva ( simulación I ).
- Carga altamente inductiva e inductancia en la fuente de alimentación (
simulación II ).
Rectificadores > No Controlados > Hexafásico
RECTIFICADOR
HEXAFÁSICO
Puente
Monofásico
Funcionamiento Simulación
Se trata de un montaje que emplea un sólo grupo conmutante hexafásico simple.
Por lo tanto, los parámetros p,q,s estudiados son, para este caso:
q = 6 s = 1 p = 6
A efectos de análisis éste montaje podría considerarse como seis rectificadores
monofásicos de media onda, alimentado cada uno de ello por una tensión Vs(n),
las cuales desfasan entre sí un ángulo 2p/p = 2p/6 = 60º
Con lo dicho, si Vs1= Vm sen
(vt), tendremos que:
Vs1 = Vm sen (vt)
Vs2 = Vm sen (vt + p/3)
Vs3 = Vm sen (vt - 2p/3)
Vs4 = Vm sen (vt - p)
Vs5 = Vm sen (vt - 4p/3)
Vs6 = Vm sen (vt - 5p/3)
Por lo tanto, la secuencia de conducción de los diodos es:
Diodos Periodo
D1 /3<t<2/3
D2 0<t</3
D3 5/3<t<0
D4 4/3<t<5/3
D5 <t<4/3
D6 2/3<t<
Aunque este montaje proporciona en su salida una tensión con seis cúpulas
por periodo, del mismo modo que el puente trifásico, el valor de pico de dicha
tensión es menor debido a que la carga se encuentra conectada a masa. Es decir,
la tensión que llega a la carga es la tensión de fase, no la tensión de línea a línea.
Por lo tanto este montaje propocionará una potencia menor que el rectificador en
puente monofásico, con alimentación en estrella.
Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale:
En el apartado de simulación se realizará un sólo montaje, que ilustre la diferencia
con con el montaje anterior:
- Carga resistiva ( simulación I ).
Rectificadores > No Controlados > Puente Monofásico
PUENTE
MONOFÁSICO
Puente
Trifásico
Funcionamiento Simulación
Se trata de un montaje que emplea dos grupos conmutantes bifásicos simples,
conectados en serie. Por lo tanto, los parámetros p,q,s estudiados son, para este
caso:
q = 2 s = 2 p = 2
Obsérvese que en este caso en particular, el tener dos ramas en serie (s = 2),
no multiplica por dos el número de fases de salida (p = 2). Esto se debe a que
ambos grupos conmutantes están alimentados por la misma fuente de tensión
(Vs).
En este montaje cada mitad del transformador actúa como si fuera un rectificador
de media onda. Así, la secuencia de conducción de los diodos es:
Diodos Periodo
D1, D4 0<vt<p ( Vs > 0 )
D2, D3 p<vt<2p ( Vs < 0 )
Para un montaje con carga puramente resistiva la corriente de carga tiene una
forma idéntica al voltaje de salida. En la práctica la mayor parte de las cargas son en
cierta cantidad inductivas. Así pues, la corriente de carga dependerá de los valores de
la resistencia de carga, R, y de la inductancia de carga, L.
Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale:
En el apartado de simulación se realizarán dos montajes con diferentes
variaciones:
- Carga resistiva ( simulación I ).
- Carga resistiva e inductancia en la fuente de alimentación ( simulación II ).
Rectificadores > No Controlados > Puente Trifásico
PUENTE
TRIFÁSICO
Rectificad.
Semicontr.
Funcionamiento Simulación
Se trata de un montaje que emplea dos grupos conmutantes trifásico simple
conectados en serie. Por lo tanto, los parámetros p, q, s estudiados son, para este
caso:
q = 3 s = 2 p = 6
Si las fuentes de alimentación Vs1, Vs2, Vs3 se conectan entrella, el voltaje de
línea es raíz de 3 veces el voltaje de fase. El ángulo de desfase entre las tensiones
de fuente será para este caso 2/ 6 = 60º.
Si Vs = Vm sen (t +
)
Vs1: = 0º
Vs2: = 60º
Vs3: = 120º
Vs4: = 180º
Vs5: = 240º
Vs6: = 300º
Según estos ángulos quedará que:
Vs1 = - Vs4 Vs2 = - Vs5 Vs3 = - Vs6
En consecuencia, este montaje puede representarse como se muestra a
continuación.
Con lo dicho, si Vs1= Vm sen
(t), tendremos que:
Vs1= Vm sen (t + 0)
Vs2= Vm sen (t + 2/3)
Vs3= Vm sen (t - 2/3)
La secuencia de conducción de los
diodos para este caso en particular es:
Diodo Periodo
D1 /6<t<5/6 Vs1> Vs2
Vs1> Vs3
D2 3/6<t<7/6 Vs2< Vs1
Vs2< Vs3
D3 7/6<t<11/6 Vs1< Vs2
Vs1< Vs3
D4 5/6<t<3/2 Vs3> Vs1
Vs3> Vs2
D5 3/2<t<2
0<t</6
Vs2> Vs1
Vs2> Vs3
D6 11/6<t<2
0<t</2
Vs3< Vs1
Vs3< Vs2
Con este tipo de montaje se logran tensiones de salida mayores que las de los
montajes anteriormente estudiados, reduciéndose del mismo modo la tensión de
rizado, con lo que la fase de filtrado será más sencilla. Se utilizan ampliamente en
aplicaciones industriales, hasta el nivel de 220 kW.
Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale:
En el apartado de simulación se realizarán dos montajes con diferentes
variaciones:
-Carga resistiva ( simulación I ).
-Carga inductiva e inductancia en la fuente de alimentación ( simulación II ).
