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


Es el montaje más sencillo para los rectificadores de alimentados con la red trifásica. Como en cada fase hay un solo semiconductor, éste deberá de ser un tiristor. Como se muestra en la fig. 3, representa la rectificación trifásico de media onda controlada, para la colocación de diferentes tipos de cargas, estos diagramas están simulados en Matlab. Al ser la red trifásica las tensiones de entrada están desfasadas 2π/3, entonces cada tiristor conducía un tercio del periodo (2π/3). De esta forma se obtenían los siguientes intervalos de conducción:



                                                                                      (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,



[6] J. Jones. (2007, Febrero 6). Networks (2nd ed.) [En línea].        Disponible en: http://www.atm.com.

 














1 comentario:

  1. Los rectificadores controlados en la actualidad se emplean en la industria como dispositivo de control del angulo de disparo de la fase para manejar la velocidad de los motores. En la mayoría de industrias se emplea la rectificación para diferentes maquinas. Excelente investigación.

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