1. UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
Laboratorio de Electrónica Industrial
PREINFORME
“Rectificación Controlada”
Rectificación Controlada”
Experiencia
Grupo
Fecha
2
Lautaro Narváez Paredes
8
Juan Vargas Hernández
01/11/2010
2010
Revisado por
Nota

2. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
1.
PREINFORME
1.1
¿Cuál es la secuencia de disparo de los tiristores del rectificador puente trifásico de la
figura 1?
Figura 1. Topología del rectificador puente trifásico controlado
Tomando como referencia el momento en que la fase ¨a¨ llega a su punto de conmutación natural
el primer tiristor que conduce es el T1 y por lo tanto debe ser el primero en ser disparado, luego
la fase C se encamina a su peak negativo por lo que es el T6 el que debe ser disparado. Así
sucesivamente los tiristores son disparados en el orden en que naturalmente conducirían tomando
en cuenta los peaks positivos y negativos de cada una de las fases. Por lo tanto el orden es el que
sigue:
T1 T6 T2 T4 T3 T5
1.2
¿Cómo se obtiene una señal de sincronismo adecuada para esta configuración?
Una señal de sincronismo se puede obtener comparando el voltaje de una fase a tierra con tierra,
de allí a esta señal se le aplica un retardo correspondiente a 30+α grados (el tiempo que esto
signifique dependerá de la frecuencia).
Otra manera es tomando el voltaje de cada fase con respecto a tierra, en cada paso por 0 de esta
señal generar un diente de sierra luego comparar este diente de sierra con una señal de control
que definirá el ángulo de disparo, y con cada cando de subida de la señal de control generar un
pulso para controlar el correspondiente tiristor. El pulso debe ser diente por medio y de cada
señal se obtendrá el sincronismo para controlar 2 tiristores (la parte negativa y la positiva). La
figura 2 ilustra este mecanismo.
1

3. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Figura 2. Tensiones fase-neutro.
1.3
¿A partir de qué punto dentro del ciclo del voltaje de alimentación se mide el ángulo
de disparo (α)? Explique con un gráfico.
El ángulo de disparo debe ser medido desde el punto de conmutación natural que tendría un
rectificador no controlado. Este es el punto donde una fase pasa a tener mayor valor de voltaje
que otra que es a los 30 grados desde el paso por cero de la señal. En la figura siguiente se puede
apreciar un ejemplo con un anulo de conmutación de 45 grados.
Figura 3. Tensiones fase-neutro.
1.4
Deduzca en forma matemática qué relación tiene el ángulo de disparo con el voltaje de
carga. ¿En que afecta el ángulo de disparo al factor de potencia?
El voltaje medio de salida sin rectificar es el siguiente
2

4. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
ܸௗ௢ ൌ
ଶగൗ
ଷ
்
1
3
3√2ܸ௟௟
න ‫ݒ‬଴ ሺߠ ሻ݀ߠ ൌ න √2ܸ௟௟ ‫݊݁ݏ‬ሺߠ ሻ݀ߠ ൌ
ܶ
ߨ
ߨ
గൗ
ଷ
଴
Voltaje de salida en realidad es:
ܸௗఈ ൌ ܸௗ௢ െ
‫ܣ‬ఈ
ߨ ⁄3
Siendo “A” el área que se le recorta a la señal antes del disparo, esto se puede apreciar en la
figura 2
‫ܣ‬ఈ ൌ
Entonces:
‫ݒ‬௔௖ ൌ √2ܸ௟௟ ܵ݁݊ሺ߱‫ݐ‬ሻ
ఈ
‫׬‬଴ √2ܸ௟௟ ܵ݁݊ሺ߱‫ݐ‬ሻ݀߱‫ ݐ‬ൌ √2ܸ௟௟ ሺ1
െ ‫ݏ݋ܥ‬ሺߙሻሻ
Haciendo las sustituciones correspondientes:
ܸௗఈ ൌ
3√2ܸ௟௟ √2ܸ௟௟ ሺ1 െ ‫ ݏ݋ܥ‬ሺߙሻሻ
െ
ൌ 1.35ܸ௟௟ ‫ݏ݋ܥ‬ሺߙሻ ൌ ܸௗ௢ ∗ ‫ݏ݋ܥ‬ሺߙሻ
ߨ
ߨ⁄3
Respecto al factor de potencia podemos observar en la figura 3 que el factor de desplazamiento
coincide con el coseno del ángulo de conmutación:
Figura 4. Tensiones en cada fase, corrientes por los tiristores 1 y 4, y corriente por la fase a.
Un análisis de Fourier de las corrientes de entrada (de 3 niveles) entrega que:
‫ܫ‬ଵ௥௠௦ 3
ൌ
‫ ܲܦ‬ൌ
‫ܫ‬௥௠௦
ߨ
Por lo tanto:
3

5. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
ܲ‫ ܨ‬ൌ ‫ ܨܲܦ ∗ ܲܦ‬ൌ
1.5
3
‫ݏ݋ܥ‬ሺߙ ሻ
ߨ
¿Cuál es el mínimo y máximo ángulo de disparo para una carga R y para una carga L
con L → ∞? ¿Qué es lo que determina estos valores mínimos y máximos?
El mínimo ángulo de disparo para cualquier carga es 0, que corresponde al ángulo de
conmutación natural para un rectificador no controlado.
Las limitaciones al ángulo máximo de disparo están dadas por la corriente que circula por los
tiristores que no puede ser negativa pues estos últimos se comportan como diodos una vez que
son excitados por el gate.
Para una carga resistiva la corriente será negativa cuando el voltaje sea negativo, por lo que el
máximo ángulo de conmutación será:
Figura 4. Tensión de salida, ángulo 60º
Acá se puede observar que pasado los 60 grados el voltaje pasa a ser negativo por lo que la
corriente en una resistencia se vería cortada. Aún con la corriente recortada podría se podría
seguir aumentando el ángulo volviendo la tensión promedio de salida cada vez menor y la
corriente mas recortada hasta los 150 grados en los cuales la corriente sería totalmente cortada y
la tensión promedia se torna 0.
Para una carga RL la corriente se torna negativa cuando el voltaje es negativo, esto ocurre
después de los 90 grados donde la tensión promedio es 0:
Figura 5. Tensión de salida, ángulo 90º
Para una carga L inf. La corriente esta 90 grados atrasada a la tensión por lo que aún teniendo
tensión negativa la inductancia forzaría la conducción en dirección positiva. El máximo ángulo
de conmutación es hasta donde los tiristores pueden ser enganchados que es a los 180 grados.
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6. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Como se tiene tensión negativa y corriente positiva la potencia de salida es negativa por lo que el
rectificador estará funcionando en modo inversor:
Figura 6. Tensión de salida, ángulo 180
Además hay que tener en cuenta el efecto de variar el ángulo de conmutación en la forma de la
tensión de salida. En la siguiente imagen se muestra este efecto mostrando las magnitudes de los
armónicos en la tensión de salida
Figura 7. Armónicos normalizados de la tensión de salida en función del Angulo de disparo
para el rectificador trifásico controlado con carga igual a la fuente de corriente
1.6
Simule un rectificador puente trifásico totalmente controlado con ayuda del software
PSIM para una carga RL. Utilice tensiones de entrada de Vll = 380[VRMS],
inductancias de línea de Ls = 10[µH] y valores de la carga de R = 85[Ω] y L = 50[mH].
Presente las tensiones y corrientes de entrada y salida en estado estacionario para
ángulos de disparo α = 30° y α = 90°.
A continuación se presentan las formas de ondas obtenidas en estado estacionario de las
simulaciones realizadas en PSIM.
a) Para un angulo de 30 grados:
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7. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Figura 8. Tensión por la fase a y de salida
Vsalida = 450[v] rms
La tensión de salida es siempre mayor que la tensión en una fase pues está compuesta de las
tensiones a través de las 3 fases. La señal de saluda esta recortada por el ángulo de conmutación y
se compone de 6 pulsos por ciclo, como era de esperarse.
Figura 9. Corriente por la fase a y de salida
La corriente de entrada es de tres niveles porque es la resta entra las corrientes que atraviesan 2
tiristores.
b) Para un ángulo de 90 grados:
Figura 10. Tensión en la fase “a” y tensión de salida
Vsalida= 112.03[v] rms
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8. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
En la forma de onda de la tensión de salida se observa la señal recortada que solo pasa bajo el 0
por el efecto de la inductancia de la carga pues si fuera puramente resistiva estaría cortada en 0.
Figura 11. Corriente entrada por la fase “a” y corriente de salida
La corriente de salida ahora presenta momentos en 0 a causa de la tensión 0 que se presenta en la
carga por la presencia de la carga resistiva con tensión negativa.
1.7
Calcule la potencia transferida a la carga, el factor de potencia, el factor de distorsión
y el THD en cada uno de los casos. Comente los resultados.
La potencia activa se puede calcular como el producto de la tensión media entregada a la carga
por la corriente media entregada a la carga.
ܲ ൌ ‫ܸܿܿ ∗ ܿܿܫ‬
El factor de potencia es el cociente entre la potencia activa y la potencia aparente. La potencia
aparente responde al producto entre la corriente de entrada rms y el voltaje de entrada rms:
ܵ ൌ 3 ∗ ܸ‫ݏ݉ݎܫ ∗ ݏ݉ݎ‬
ܲ
ܲ‫ ܨ‬ൌ
ܵ
El THD es la razón entre la suma de los cuadrados de las corrientes armónicas de entrada y la
corriente fundamental de entrada:
√‫ ݏ݉ݎܫ‬ଶ െ ‫ ݏ݉ݎ1ܫ‬ଶ
ܶ‫ ܦܪ‬ൌ
‫ݏ݉ݎ1ܫ‬
El factor de distorsión se puede calcular como:
‫ ܨܦ‬ൌ
Siendo DPF= cos(α)
ܲ‫ܨ‬
‫ݏ݉ݎ1ܫ‬
ൌ
‫ܨܲܦ‬
‫ݏ݉ݎܫ‬
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9. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Tabla 1.
Parámetro
PF
THD
P
DF
Parámetros para distintos ángulos de conmutación
30
0.83
30%
2336[w]
0.95
90
0.15
95%
26.7 [W]
0.73
De estos resultados se puede deducir que para un ángulo de 30 grados más del 80% de la potencia
es potencia activa y la corriente de entrada presenta un 30% de distorsión armónica pues la
corriente total en gran medida corriente fundamental. Mientras que para un ángulo de
conmutación mayor como 90 la mayor parte de la potencia es potencia reactiva que no realiza
trabajo, solo un 15% es potencia activa y Presenta un 95% de distorsión armónica lo que significa
que la corriente fundamental de entrada es pequeña en comparación con las corrientes armónicas.
Estos resultados ya podían preverse en la figura 5.
1.8
Simule el rectificador anterior para carga R sin inductancia de línea y luego con una
inductancia de Ls = 3,7[mH]. Muestre las tensiones y corrientes de entrada y salida en
estado estacionario para α = 30◦. Comente los resultados obtenidos. Calcule la
potencia transferida a la carga, el factor de potencia, el factor de distorsión y el THD
en cada uno de los casos. Compare con los resultados anteriores.
a) Formas de onda del rectificador trifásico controlado con ángulo de conmutación de 30
grados, carga R y sin inductancia de línea
Figura 12. Tensión en la fase “a” y tensión de salida
Vsalida= 450[v] rms
Figura 13. Corriente entrada por la fase “a”
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10. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
b) Formas de onda del rectificador trifásico controlado con ángulo de conmutación de 30
grados, carga R e inductancia de línea
Figura 14. Tensión de salida y tensiones de entrada
Figura 15. Corrientes por cada fase.
Figura 16. Corriente en la carga.
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11. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Tabla 2. Parámetros para el rectificador controlado con ángulo 30
Parámetro
PF
THD
P
DF
sin Llinea
0.83
34.5%
2312.5[w]
0.95
con Llinea
0.81
37.6%
2263 [W]
0.936
Al observar los resultados podemos darnos cuenta que existe una pequeña disminución en la
potencia tanto en la activa como en la reactiva entregada a la carga, pero a cambio la inductancia
de línea suaviza los bordes de las formas de onda, disminuyendo las componentes armónicas que
provienen de la conmutación de los semiconductores.
1.9
¿Cómo afecta el inductor de línea al valor mínimo y máximo del ángulo de disparo?
Si no existiese inductancia de línea las conmutaciones de los tiristores serian instantáneas:
Figura 17. Conmutación tiristores
Pero al existir inductancias de línea se disminuyen las pendientes de estas conmutaciones
volviendo finito y medible el tiempo que demoran en conmutar:
Figura 18. Conmutación de los tiristores con Llinea
Siendo la suma siempre la misma durante la conmutación.
Esto provoca una disminución de la tensión entregada a la carga y una rampla en la conmutación
que se expresa en la tensión de salida como una muesca:
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12. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Figura 19. Tensiones de salida
Figura 20. Muesca en la tensión de salida
Esto aumenta el mínimo ángulo de conmutación y disminuye el máximo.
Un análisis matemático entrega la siguiente expresión para calcular el ángulo de conmutación µ:
2ωLs I D
cos(α + µ ) = cos(α ) −
2Vll
1.10 Explique que es un circuito snubber, para qué sirve y cómo funciona.
El snubber (o también amortiguador) es un circuito utilizado para la protección de componentes
o partes de un sistema eléctrico. En este caso, se encarga de prevenir varios fenómenos en los
tiristores:
Limita voltaje durante el transiente de apagado
Limita corriente durante el transiente de encendido
Limita el cambio de voltaje dv
en el apagado o durante el bloqueo
dt
Limita el cambio de corriente di
en el dispositivo durante el encendido
dt
(
(
)
)
Generalmente, los circuitos snubbers son utilizados en sistemas eléctricos con carga inductiva,
donde una interrupción repentina de la corriente circulante produce un aumento en la tensión del
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13. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
dispositivo. Dado que este aumento en el voltaje es repentino, puede provocar daños en el
dispositivo y producir fallas en el sistema.
Uno de los snubber que más se utiliza es el del tipo RC, que consiste en una resistencia y un
condensador en paralelo al dispositivo, como se ilustra en la siguiente figura
Figura 2. Conexión típica de un snubber RC
La idea principal es evitar los cambios repentinos de voltaje, ya que al tener un condensador en
paralelo, éste no permite variaciones bruscas en la tensión.
Para el diseño del snubber se utilizan las siguientes ecuaciones para cada elemento
R=
20VLL
Id
C=
0.6 I d
VLL
1.11 Si sólo puede medir el voltaje de línea y el de un tiristor, ¿Cómo puede determinar el
ángulo de disparo? Explique usando un gráfico.
Existen dos formas para determinar el ángulo de disparo a partir del voltaje de línea y el de un
tiristor. Para ello, en la siguiente figura se muestra el voltaje de línea Vac y el de ánodo-cátodo del
tiristor 1, Vak, que se obtiene midiendo entre la fase a y la barra positiva de puente.
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14. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
Figura 3. Medición ángulo de disparo
La primera forma consiste en medir el punto de conducción natural (PCN) del tiristor 1 y el
instante en que se dispara el tiristor (D). La diferencia entre estos dos puntos corresponde al
ángulo de disparo temporal. El detalle es que para poder medir el PCN, se debe contar con el
voltaje de línea que precede la secuencia, en este caso Vab.
Debido a lo anterior, es posible considerar un segundo método, en el cual se debe medir donde el
tiristor 1 bloquea y hace un cruce por 0[V], hasta que el mismo comienza a conducir. El tiempo
en que esto se produce corresponde al ángulo de disparo (temporal).
Para obtener la medida en grados sexagesimales, basta con hacer la conversión mediante
α [°] = 360°⋅
α [ ms ]
20 [ ms ]
1.12 En el laboratorio usted cuenta con un módulo de disparo FC36M cuyo núcleo central
está comandado por un microcontrolador PIC 16C74. Estudie las características y
configuración de la placa en base al manual disponible en la página web. Resuma las
principales características de la placa.
El módulo de disparo FC36M cuenta con las siguientes principales características
•
•
•
•
•
Transformador de 380/415 [V] ac, 50/60[Hz].
Voltaje en el secundario de 20 [V] ac, 50/60[Hz].
Voltaje de aislación 4000 [VRMS].
Consumo de corriente máxima 300 [mA].
Entradas de control análogas de 0-5[V] y 4-20[mA].
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15. Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010
•
•
•
•
•
Entradas de control digital de 5-25 [Vdc] (Posee optoacoplador para control digital)
Rampa de control de encendido ajustable de 0-30 [s].
Selección de cargas (resistiva o inductiva) mediante el switch 2.
Para el control de 6 tiristores, el switch 2 debe estar encendido.
El microprocesador PIC16C74, genera los pulsos de control de los tiristores con un
espaciamiento de 60°.
Las aplicaciones más comunes de esta placa son
•
•
•
•
•
•
•
•
Rectificadores controlados semi-puente o puente completo
Fuentes de poder
Control de motores AC y DC
Partidores suaves
Generadores de inducción
Regulación de tensión AC
Control de transformadores trifásicos
Entre otras
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