LABORATORIO DE CONVERSORES ESTÁTICOS César Chillán-LCE_GR2_1 Práctica 3: RETARDO EN LA CONMUTACIÓN DE UN CONVERTIDOR AC-DC MONOFÁSICO SEMICONTROLADO Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional Quito, Ecuador cesar.chillan@epn.edu.ec Resumen – Cuando se analiza las conmutaciones que se producen en los tiristores, se asumen que las corrientes son instantáneas. En el análisis real de las conmutaciones de un rectificador estas corrientes no cambian instantáneamente debido a la existencia de una inductancia parásita en las líneas de alimentación; este efecto produce un ángulo de traslape el cual afecta al desempeño del conversor. INTRODUCCIÓN En [1], Los rectificadores controlados reciben este nombre porque utilizan un dispositivo de control, en este caso el tiristor. Utilizan los mismos montajes que se usan para los no controlados, pero sustituyendo los diodos por tiristores parcial o totalmente. La ventaja de colocar tiristores viene dada por la capacidad de estos de retardar su entrada en conducción. Sucediendo esta cuando la tensión en sus bornes sea positiva y además reciba un impulso en su puerta. El ángulo de retardo πΌ es un parámetro fundamental, ya que actuando sobre él es posible hacer variar la relación entre el valor de la tensión rectificada de salida y el valor de las tensiones alternas de la entrada, de ahí el calificativo de “controlados”. Fig.1 Conversor AC/DC semicontrolado En la fig.2 se muestra el efecto del ángulo de traslape que afecta al ππ que llega a la carga. Trabajo Preparatorio A. Realizar el análisis teórico completo del conversor AC/DC monofásico semicontrolado. Establecer las relaciones de P, S, fp, fpd y además las relaciones que permitan evaluar los efectos de la operación de los conversores en la red: ángulos de traslape (π1 , π2 ), Área de la ranura π΄π , Reducción del voltaje medio βπππ , Voltaje ideal βπππΌ y voltaje medio a la salida πππ . En el análisis real del conversor AC/DC hay que tener presente que existen 2 inductancias parásitas en las líneas de alimentación, por lo que: πππΏπ ππΏπ = 2 × ππ‘ Fig.2 Voltaje Vd que llega a la carga πΌ+π π΄π’ = ∫ √2 β ππ β sin(ππ‘) β ππ€π‘ πΌ π΄π’ = √2 β ππ β (cos πΌ − cos(πΌ + π)) Si: π΄π’ = 4 β π β πΏπ β πΌ ∴ √2 β ππΏπ β (cos πΌ − cos(πΌ + π)) = 4 β π β πΏπ β πΌ cos(πΌ + π) = cos πΌ − 4 β π β πΏπ β πΌ √2 β ππ Ahora la reducción del voltaje medio debido al efecto del traslape es: Factor de potencia: ππ = βπππ’ = π΄π’ 4 β π β πΏπ β πΌ = π π Potencia activa y reactiva: π = ππ β πΌ1 β cos(Ψπ1πΌ1 ) Voltaje medio ideal sobre la carga: π πππΌ 1 = ∫ ππ β √2 β sin(π β π‘)πππ‘ π πΌ πππΌ = πππΌ √2 β ππ π β (cos(−π β π‘) πΌ π π = ππ β πΌ1 β sin(Ψπ1πΌ1 ) Donde Ψπ1πΌ1 es ángulo de desfasamiento entre la fundamental de voltaje y la fundamental de corriente: Potencia aparente: π = √π2 + π2 √2 β ππ = β (1 + cos πΌ) π Considerando el efecto del traslape: πππ’ = πΌ1 β πππ πΌ 4 β π β πΏπ β πΌ √2 β ππ β (1 + cos πΌ) − π π Para encontrar las expresiones de la potencia considerando el efecto del traslape, se utiliza las formas de onda de la fig.3: B. Calcular los parámetros establecidos en el literal anterior, en base a los valores de: Ventrada=120VRMS, Icarga=5A, Vo=100V, πΏπππ π = πΏπππ’π‘ππ = 5ππ» (o de valores pequeños). [2]Para los siguientes cálculos se considera un ángulo de disparo πΌ = 0° , ya que con este se tendría un πππΌ máximo en la carga. ο· Ángulo de traslape: cos(πΌ + π) = cos πΌ − cos(π) = 1 − 4 β π β πΏπ β πΌ √2 β ππ 4 β 120 β π β 5 β 10−3 β 5 √2 β 120 cos(π) = 0.7778 Fig.3 Fundamentales de voltaje y corriente π = 0.6795πππ = 38.94° El factor de potencia de desplazamiento es: πππ = cos (πΌ + 1 β π) 2 ο· Voltaje de pérdidas: βπππ’ = Para hallar el valor de la fundamental de corriente se igualan las expresiones de potencia: βπππ’ = 1 ππ β πΌ1 β cos (πΌ + β π) = ππ β πΌ 2 √2 β ππ β πΌ 4 β π β πΏπ β πΌ 2 β (1 + cos πΌ) − π π πΌ1 = 1 ππ β cos (πΌ + β π) 2 π΄π’ 4 β π β πΏπ β πΌ = π π 4 β 120π β 5 β 10−3 β 5 π βπππ’ = 12π£ ο· Voltaje medio ideal: πππΌ = √2 β 120 β (1 + cos 0°) π ο· πππΌ = 108.038π£ π = 120 β 5 β sin(0.3398) Voltaje medio considerando el traslape: π = 199.98ππ΄π πππ’ = 108.038π£ − 12π£ = 96.037π£ ο· ο· Potencia aparente: Factor de potencia de desplazamiento: π = √480.162 + 199.982 1 πππ = cos (+ β π) 2 πππ = cos (0° + 1 β 0.6795) 2 π = 520.14 C. Diseñar y traer armado el conversor AC/DC monofásico semi controlado considerando los valores establecidos en el literal 4.2. πππ = 0.9428 ο· Fundamental (1ra armónica) de corriente: Dado que la carga necesita una πΌ = 5π΄ y bloquear un πππ = 169.7π£ se ha elegido utilizar el SCR BT151, el cual presenta las siguientes características: √2 β ππ β πΌ 4 β π β πΏπ β πΌ 2 β (1 + cos πΌ) − π π πΌ1 = 1 ππ β cos (πΌ + β π) 2 4 β 120π β 5 β 10−3 β 52 √2 β 120 β 5 β (1 + cos 0°) − π π πΌ1 = 1 120 β cos (0 + β 0.6795) 2 πΌ1 = 4.244π΄ ο· Factor de potencia: ππ = πΌ1 4.244 β πππ = β 0.9428 πΌ 5 ππ = 0.8 ο· Potencia activa: π = ππ β πΌ1 β cos(Ψπ1πΌ1 ) 1 Ψπ1πΌ1 = πΌ + β π = 0.5 β 0.6795 = 0.3398 2 Fig.4 Datasheet del BT151 Los datos que se deben tomar en cuenta al momento de elegir el semiconductor son el voltaje pico repetitivo y la capacidad de corriente que puede conducir. D. Diseñar, armar y traer probado el circuito de disparo para el conversor del literal 4.3 que debe estar sincronizado con la red. Se utiliza el Arduino Mega para realizar el circuito de disparo sincronizado con la red para controlar los tiristores BT151. El circuito de disparo tiene como circuito principal un detector de cruces por cero de voltaje para lograr la sincronización con la red, para esto se utiliza el integrado H11AA1 π = 120 β 4.244 β cos(0.3398) π = 480.16π ο· Potencia reactiva: π = ππ β πΌ1 β sin(Ψπ1πΌ1 ) Fig.4 Detector de cruces por cero de voltaje Se debe conectar una resistencia en los pines del diodo encargado de saturar la base del transistor, esta resistencia debe ser de 1.8kohm para evitar dañarlo. E. Realizar la simulación del circuito a implementar en la práctica y presentar las formas de onda de voltaje y corriente obtenidas en la simulación estableciendo los ángulos de traslape. Fig.7 Circuito de potencia Fig.5 Circuito para sincronización con la red Para acoplar impedancia entre el circuito detector de cruces por cero y el Arduino se utiliza un seguidor de voltaje construido con un amplificador operacional. Para elaborar el circuito de disparo se utiliza el Timers1 y Timer3 de la tarjeta Arduino, cada uno es de 16 bits. El Timer1 es el encargado de medir el tiempo que existe entre el 1ro y 2do cruce por cero de voltaje. El Timer2 se encarga de medir el equivalente en tiempo (retardo) del ángulo de disparo. Fig.7 Formas de onda del voltaje en la carga REFERENCIAS [1] Electrónica de potencia, Juan D. Aguilar Peña, Escuela Politécnica Superior (Universidad de Jaén), 2005. [2] Apuntes de Electrónica de potencia, Ing. Patricio Chico [3] Power Electronics: Devices, Drivers, Applications, and Passive Components-Barry Wayne Williams [Online], Available: http://personal.strath.ac.uk/barry.williams/book.htm Fig.6 Circuito de disparo para tiristores Hay que tener presente que el circuito de potencia tiene los 2 tiristores a ser disparados en la parte superior del arreglo por lo que se necesitara 2 fuentes para realizar los disparos correspondientes utilizando la tarjeta Arduino. [4] Circuitos de ayuda a la conmutación de transistores [Online], Available: http://www.wikiwand.com/es/Circuitos_de_ayuda_a_la_conmutaci%C3 %B3n_de_transistores.
