miércoles, 4 de julio de 2012
SISTEMAS DE RECTIFICACION CONTROLADA MONOFÁSICO Y
POLIFÁSICO
Isaac Ojeda
Zamalloa
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
Ingeniería Eléctrica
RESUMEN: Los rectificadores controlados emplean el
tiristor o SCR como dispositivo de control. El tiristor es un semiconductor que
presenta dos estados estables: en uno conduce, y en otro está en corte (bloqueo
directo, bloqueo inverso y conducción directa). El objetivo del tiristor es
retardar la entrada en conducción del mismo, ya que como se sabe, un tiristor
se hace conductor no sólo cuando la tensión en sus bornes se hace positiva
(tensión de ánodo mayor que tensión de cátodo), sino cuando siendo esta tensión
positiva, se envía un impulso de cebado a puerta. El parámetro principal de los
rectificadores controlados es el ángulo de retardo, α.
PALABRAS CLAVE: Rectificación, rendimiento, monofásico, parámetros,
disparo, bloqueo, etc.
I.
INTRODUCCIÓN
En el
desarrollo del informe veremos el comportamiento de los sistemas controlados
monofásicos y polifásicos en media onda, la diferencia que existen entre los
dos, se podrán apreciar con el desarrollo de esta práctica. Así se obtendrán
los valores de los diferentes formas de ondas con diferentes cargas como el rectificador
monofásico de media onda controlada con carga puramente R, con carga R║C y con
carga R(L║C), de la misma forma el rectificador polifásico de media onda
controlada con carga puramente R, con carga RL y con carga R(L║C).
II.
FUNCIONAMIENTO
En los circuitos rectificadores se pueden sustituir, total o
parcialmente, a los diodos por tiristores, de forma que se pueda obtener un
sistema de rectificación controlada o semicontrolada. Como se muestra en la
fig. 1, representa la rectificación de onda controlada, para la colocación de
diferentes tipos de cargas, estos diagramas están simulados en Matlab. Estos sistemas permitirán la regulación del
valor medio de la tensión en la carga. Como se muestra en la fig. 2, representa
los diferentes tipos de cargas, a usar en el rectificador de media onda
controlada, estos diagramas están simulados en Matlab. La sustitución del diodo
por el tiristor permite retardar la entrada en conducción del mismo, lo cual
ocurre no sólo cuando la tensión entre sus bornes es positiva, sino cuando,
siendo positiva se inyecta un pulso de cebado a la puerta del tiristor.
Figura. 1
Diagrama del sistema de rectificación monofásica de media onda controlada para
la ubicación de los diferentes tipos de cargas, simulados en Matlab, para la
proyección de las formas de ondas de corriente, voltaje y
del diodo.
(a) (b) (c)
(a)
Tipo de carga R (300ohm) para la ubicación en el
rectificador de media onda controlada, para las simulaciones mencionadas.
(b)
Tipo de carga R║C (300ohm) y (8.8uF), para la
ubicación en el rectificador de media onda controlada, para las simulaciones
mencionadas.
(c)
Tipo de carga R(L║C), (300ohm), (0.8H) y (8.8uF), para la ubicación en el
rectificador de media onda controlada, para las simulaciones mencionadas.
Figura. 2
Diagrama del sistema de cargas, a usar
en el rectificador de media onda controlada,
simulados en Matlab, para la proyección de las
formas de ondas de corriente, voltaje y del diodo respectivamente.
PARÁMETRO FUNDAMENTAL
En estos rectificadores con tiristores será el ángulo de retardo α, que
un tiristor conduce con un retardo de tiempo α/w con relación al instante en el
cual conduciría el diodo al que ha sustituido.
Tensión media en la carga: Es la tensión en el
secundario:
(1)
Y el valor normalizado valdrá:
(2)
Tensión eficaz en la carga:
(3), (4)
Para a=0°, su valor: (4)
Y el
valor normalizado valdrá:
(5)
Tensión inversa de pico
soportada por el tiristor: Esta tensión será la máxima de entrada para a £ p, por lo tanto:
(6)
Corriente media en la
carga:
(7)
Corriente eficaz en la
carga:
(8)
Para distinguir las
magnitudes cuando se pasa de los montajes con diodos a tiristores utilizaremos
la prima (') para referirnos a los montajes con tiristores. El principio de funcionamiento consiste en
disparar los tiristores con un cierto ángulo respecto del punto de conmutación
natural o paso por cero de la señal de entrada. Con ello se consigue aplicar la
tensión de la fuente sobre la carga un tiempo variable, que depende del momento
del disparo y por tanto se conseguirá variar los valores medios y eficaces de
la tensión en la carga.
Dependiendo del tipo de carga, se deberá analizar el tipo de impulso de
cebado del tiristor. Para las cargas con componente inductiva, la corriente en
la carga, y por tanto en el tiristor, no variará bruscamente, con lo que se
tardará un cierto tiempo en alcanzar la corriente de enclavamiento del tiristor.
Como se muestra en la simulación 1
“Matlab”,
donde muestra el comportamiento del diodo que es atravesado por el voltaje y la
corriente que es la forma de onda 1 y 2, y en las formas de
ondas 3 y 4 muestra el voltaje y la corriente, de la carga.
(a) Comportamiento
del voltaje y de la corriente con carga R (300ohm), simulado en Matlab
(a) Comportamiento
del voltaje y de la corriente con carga R (300ohm) y C (8.8uF), simulado
en Matlab
(a) Comportamiento
del voltaje y de la corriente con carga R (300ohm) y L(0.8H)
en Matlab, simulado en Matlab
Simulación 1
muestra las formas de ondas del sistemas de rectificación monofásica de media onda controlada con diferentes tipos
de cargas, simulados en Matlab, para la proyección de
corriente, voltaje y del tiristor.
III.
THD
(Total Harmonic Distortion) en los diferentes circuitos polifásicos de media
onda.
Con carga R
Simulaciones de las formas de onda de los sistemas de rectificación
polifásica de media onda con carga resistiva, en los cuales por medio de su THD
se analiza el comportamiento, simulados en Matlab, para la proyección de voltaje, ver figura 3a,
corriente, ver figura 3b y del diodo, ver figura 3c.
(a) Esta grafica muestra el comportamiento
del voltaje, analizando sus armónicos con carga R (300ohm), en Matlab
(b) Esta grafica muestra el comportamiento
de la corriente, analizando sus armónicos con carga R (300ohm), en Matlab
(c) Esta grafica muestra el comportamiento del diodo,
analizando sus armónicos con carga R (300ohm), en Matlab
Figura3.
Comportamientos de los diferentes valores para THD de un circuito polifásico
con rectificación de media onda, con carga resistiva
Con
carga RC
Simulaciones de las formas de onda de los sistemas de rectificación
polifásica de media onda con carga Resistiva – Capacitiva en serie, en los
cuales por medio de su THD se analiza el comportamiento, simulados en Matlab,
para la proyección de voltaje, ver figura 4a,
corriente, ver figura 4b y del diodo, ver figura 4c.
(a)
Esta
grafica muestra el comportamiento del voltaje, analizando sus armónicos con
carga RC (300ohm y 8,8uf), en Matlab
(b) Esta grafica muestra el comportamiento
de la corriente, analizando sus armónicos con carga RC (300ohm y 8,8uF), en
Matlab
(c)
Esta grafica
muestra el comportamiento del diodo, analizando sus armónicos con carga RC
(300ohm y 8,8uF), en Matlab
Figura4. Comportamientos de los
diferentes valores para THD de un circuito polifásico con rectificación de
media onda, con carga resistiva - capacitiva.
RECTIFICACION
TRIFÁSICO DE MEDIO ONDA CONTRALADA
(a) (b) (c)
(a)
Tipo de carga R (300ohm) para la ubicación en el
rectificador de media onda controlada, para las simulaciones mencionadas.
(b)
Tipo de carga R║C (300ohm) y (8.8uF), para la
ubicación en el rectificador de media onda controlada, para las simulaciones
mencionadas.
(c)
Tipo de carga R(L║C), (300ohm), (0.8H) y (8.8uF), para la ubicación en el
rectificador de media onda controlada, para las simulaciones mencionadas.
Figura. 5.
Diagrama del sistema de cargas, a usar
en el rectificador de media onda controlada,
simulados en Matlab, para la proyección de las
formas de ondas de corriente, voltaje y del diodo respectivamente.
PARÁMETRO FUNDAMENTAL
Este tipo de
rectificador proporciona una tensión media de salida alta si lo comparamos con
los convertidores controlados monofásicos, además se obtiene a su salida una
corriente y un voltaje bastante continúo por lo que es muy usado para trabajar
con altas potencias. La frecuencia de la señal en la carga será el triple de la
frecuencia de entrada. Como se muestra en la simulación 2 “Matlab”, donde muestra el
comportamiento el voltaje de las
fuentes, en la forma de onda 1, el voltaje y la corriente del diodo que se
atravesado por el circuito es la
forma de onda 2 y 3, y en las formas de ondas 4 y 5 muestra el voltaje y la
corriente, de la carga.
Para el caso de una carga resistiva pura tendremos en cuenta que:
·
Si
aplicásemos impulsos de disparo a la vez, a las puertas de los tiristores, se
pondría a conducir siempre el que estuviera sometido a la máxima tensión.
·
A la hora
de determinar la disipación de potencia resulta interesante saber que cada
tiristor puede conducir durante un tiempo T/3, por lo que debe poder regular
1/3 de potencia.
·
Para
ángulos superiores a 30°, la carga resistiva será atravesada en algunos
momentos por corriente discontinua, al dispararse un tiristor cuando el
anterior ya ha dejado de conducir.
·
Si los
tiristores son atacados por tres generadores de impulsos, aplicando estos a su
correspondiente tiristor en intervalos en los que su tensión ánodo-cátodo sea
positiva, a la frecuencia de red y con desfase progresivo de 120°, el ángulo máximo de disparo será de 150°, ya que por encima de éste la tensión en la
carga será nula por aplicarse los impulsos a tiristores que estarán en inverso.
Tensión media en la carga:
(6)
Tensión eficaz en la carga:
(7)
(a)
Comportamiento del voltaje y de
la corriente con carga R (300ohm), simulado en
Matlab
(b)
Comportamiento del voltaje y de
la corriente con carga R (300ohm) y C (8.8uF), simulado en Matlab
(c)
Comportamiento del voltaje y de
la corriente con carga R (300ohm), C (8.8uF) y L(0.8H), simulado
en Matlab
IV.
THD (Total Harmonic Distortion) en
los diferentes circuitos polifásicos de media onda.
IV.i IV.i Con carga R
Simulaciones de las formas de onda de los sistemas de rectificación
polifásica de media onda con carga resistiva, en los cuales por medio de su THD
se analiza el comportamiento, simulados en Matlab, para la proyección de voltaje, ver figura 3a,
corriente, ver figura 3b y del diodo, ver figura 3c.
(a)
Esta
grafica muestra el comportamiento del voltaje, analizando sus armónicos con
carga R (300ohm), en Matlab
(b) Esta grafica muestra el comportamiento
de la corriente, analizando sus armónicos con carga R (300ohm), en Matlab
(c) Esta grafica muestra el comportamiento
del diodo, analizando sus armónicos con carga R (300ohm), en Matlab
Figura 6.
Comportamientos de los diferentes valores para THD de un circuito polifásico
con rectificación de media onda, con carga resistiva.
IV.ii Con carga RC
Simulaciones de las formas de onda de los sistemas de rectificación
polifásica de media onda con carga Resistiva – Capacitiva en serie, en los
cuales por medio de su THD se analiza el comportamiento, simulados en Matlab,
para la proyección de voltaje, ver figura 4a,
corriente, ver figura 4b y del diodo, ver figura 4c.
(a)
Esta
grafica muestra el comportamiento del voltaje, analizando sus armónicos con
carga RC (300ohm y 8,8uf), en Matlab
(b) Esta grafica muestra el comportamiento
de la corriente, analizando sus armónicos con carga RC (300ohm y 8,8uF), en
Matlab
(c) Esta grafica muestra el comportamiento
del diodo, analizando sus armónicos con carga RC (300ohm y 8,8uF), en Matlab
Figura4.
Comportamientos de los diferentes valores para THD de un circuito polifásico
con rectificación de media onda, con carga resistiva - capacitiva.
V. DISCUCIÓN.
A partir de las gráficas obtenidas en cada una
de las simulaciones, el comportamiento del voltaje analizando sus armónicos en
la carga resistiva es mucho más estable frente al comportamiento del voltaje analizando sus
armónicos en las cargas inductiva o capacitiva, debido a la estabilidad que
presenta este elemento dentro del circuito diseñado.
Al realizar las simulaciones de la rectificación
monofásica y polifásica de media onda, se pudo llegar a la conclusión que solo
se pueden hacer los análisis con ángulos menores a 180.
En las tablas se muestra los cálculos
efectuados por las ecuaciones anteriores, pudiendo así mostrar y comparar, de
ésta manera los valores de corriente y de voltaje, con diferentes tipos de
cargas al sistema de rectificación controlada tanto monofásica como polifásica
para meda onda.
Los datos preestablecidos, para el planteamiento son:
Vin=120v, disparo 35o, R=300ohm, L=0.8 H; C=8.8uF
Tabla 1. Valores obtenidos mediante cálculos para el rectificador controlada monofásico de media onda controlada con carga R, R║C y R(L║C).
Tabla 2. Valores obtenidos mediante cálculos para el rectificador controlado
trifásico onda completa con carga R, RL y RC.
Al comparar
éstas tablas 1 y 2, con los datos obtenidos en las simulaciones tanto para la
rectificación controlada monofásica de media onda como para el rectificador
controlado trifásico onda completa podemos observar la poca diferencia entre
estos.
VI.
CONCLUSIONES
En las simulaciones se puede ver el
análisis de resultados del THD, lo que resulta que un rectificador media onda
con carga R, su grafica obtenida de intensidad es igual a la gráfica de
tensión, por ese motivo se realiza un solo análisis de THD, ya que ambos
valores son equivalentes, tanto para monofásica como polifásica, resulta ser más
óptimo que rectificadores con cargas reactivas, donde se podría tener una
solución en colocar un diodo volante.
Solamente con estos rangos de los
ángulos, el tiristor funciona ya que si se hace con ángulos mayores a 180 el
voltaje en la carga tiende a distorsionarse, y no se obtendrán los datos
requeridos.
VII.
REFERENCIAS
[1] Electrónica de
Potencia, Muhammad Rashid, 3era edición, 2004, editorial pearson educación
[2] Euiti
Eibar, Introducción a la Electrónica de Potencia, Vol. 3. pp. 457-465. 1976.
[3] Alexander
Bueno Montilla, Electrónica de Potencia,
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