Rectificación trifásica simple controlada positiva con carga resistiva-inductiva y fuente de continua

La principal función de un rectificador es convertir corriente alterna en corriente continua. El «rectificador trifásico controlado simple positivo» tiene multitud de aplicaciones y le permite al estudiante estudiar y comprender los circuitos de rectificación con cargas complejas.

A la hora de llevar a cabo la rectificación, se han de utilizar elementos electrónicos que permitan el paso de la corriente en un solo sentido y señal de disparo de control, permaneciendo bloqueado cuando se le aplique una tensión de polaridad inapropiada. Para ello, el componente más adecuado y utilizado es el tiristor semiconductor. Este dispositivo es el fundamento de los rectificadores controlados.

Objetivos

Analizar el funcionamiento de un rectificador trifásico simple controlado positivo con carga positiva.
Medir las tensiones de entrada y salida de un rectificador (RTTPXRLE).
Comparar las formas de onda a la entrada y salida del rectificador (RTTPXRLE).
Distinguir entre valores RMS, el valor pico y el valor promedio de la señal dada.
Adquirir soltura en interpretación de circuitos electrónicos y simulación.
Conocer el funcionamiento de los componentes electrónicos básicos con tiristores.

Rectificación trifásica simple controlada positiva con carga RLE

Lecciones

En el circuito que aparece en la figura aparecen tres componentes fundamentales que nos permitirán transformar la tensión trifásica alterna inicial de la carga por una tensión con una componente continua no nula. Esto componentes son: Generador trifásico de alterna, tiristores y carga resistiva-inductiva y batería.

-Generador trifásico de alterna: Proporciona una señal trifásica alterna y periódica, En los ejemplos la tensión trifásica se aplica con tensión de la red de 220 voltios y frecuencia de 50 Hz. (Figura: GRAFICAS DE TENSIÓN TRIFÁSICA)

-Tiristor:

el tiristor es un interruptor electrónico básico de tres terminales. Ánodo (A), cátodo (K), y puerta (K). El tiristor solo permite el paso de la corriente en un sentido, este sentido es de Anodo (A) a Cátodo (K). Para que el tiristor entre en conducción necesitará estar polarizado de manera directa, entendemos por polarizado de manera directa que este tenga un voltaje ánodo-cátodo mayor de cero y que exista una señal de disparo entre puerta y cátodo. Una vez sabido esto, podemos decir que cuando el voltaje ánodo-cátodo sea mayor que cero (el tiristor conducirá si hay disparo en puerta), y cuando el voltaje ánodo-cátodo es negativo (el tiristor no conducirá). El tiristor sólo se puede controlar cuando hay tensión ánodo-cátodo positivo y señal de puerta pero no cuando debe desconectarse. La desconexión del tiristor lo controla el circuito cuando provoca que el tiristor no circule corriente.

En el análisis de este circuito consideramos que la caída de tensión en el tiristor que conduce la tensión de manera directa es cero, aunque debemos conocer que en la realidad esto no es cierto y se produce una pérdida de voltaje en bornes del tiristor.

El programa de simulación en Pspice:

RECTIFICADOR TRIFASICO TIRISTORES Y CARGA RESISTIVA-INDUCTIVA-BATERIA

XG 1 2 3 0 GAT PARAMS:V=220 F=50

XT 1 2 3 4 RTTP PARAMS: TD=60 TP=45 F=50 T1=1 T2=1 T3=1

RL 4 5 10

LL 5 6 10M

VE 6 0 50

.LIB LEP.LIB

.TRAN 40U 20M 0 40U

.OPTIONS ABSTOL=10U RELTOL=10U ITL4=80

.PROBE

La descripción del circuito consta:

1.- Generador trifásico de tensión eficaz de 220 voltios por fase y 50 Hercios.

2.- circuito RTTP consta de los tiristores y los circuitos de disparo y sincronismo de los tiristores. Los parámetros del circuito son ángulo de sincronismo 30º, ángulo de disparo de 60º (da un ángulo respecto al cruce por cero de la tensión simple de 90º), el ángulo de mantenimiento de los disparos = 45º, la frecuencia de trabajo=50 Hercios, y los parámetros de los tiristores T1,T2,T3 con valor 1 si funcionan bien y si los tiristores funcionan mal por algún motivo.

3.- Carga resistiva-inductiva-batería de resistencia de 10 ohmios y bobina de 10mH y tensión de batería de 50 voltios.

-Carga resistiva-inductiva-batería: Esta carga esta formada por tres elementos: una resistencia, una bobina y una batería por lo tanto existirá un desfase entre la tensión y la intensidad y también influye el valor de la batería. Por lo tanto la corriente no se cortara cuando la tensión en el circuito es cero.

Una vez explicados los componentes y principios fundamentales de este tipo de rectificación, se describe el proceso de rectificación:

-Descripción de resultados de tensión en carga: El circuito tiene los tres cátodos de los tiristores unidos. Esto significa que el tiristor que conduce si están dos tiristores activos solo conduce aquel tiristor que tenga una tensión alterna más alta en el ánodo.

El conjunto de señales de disparo de los tiristores se sincronizan con la fase que está conectada al ánodo del tiristor. Es decir, el tiristor T1 se sincroniza con la fase R, el tiristor T2 se sincroniza con la fase S y el tiristor T3 se sincroniza con la fase T. El ángulo de sincronismo se utiliza el ángulo de 30º de la fase, ya que se utiliza el cruce de tensiones para comenzar a contar el ángulo de disparo. Con respecto a la fase el ángulo total respecto a la fase es la suma del ángulo de sincronismo y el ángulo de disparo. En la gráfica adjunta se muestra la tensión en carga y la curva de valor medio. En ésta curva al final del periodo nos mide la tensión media en carga.

Actividades

1ª Problema resuelto.

Dado un circuito rectificador trifásico controlado con carga resistiva cuyo esquema es el mostrado al margen derecho, calcular lo siguiente:

a) Tensión de pico en la carga.

b) Corriente de pico en la carga.

c) Tensión media en la carga.

d) Corriente media en la carga.

e) Corriente eficaz en la carga

f) Corriente en el tiristor T1

g) Corriente media en el tiristor T1

h) Corriente eficaz en el tiristor T1

DATOS: RL = 10 Ω; LL=10mH VE= 50V; V = 220 V; f = 50 Hz; ángulo disparo= 60º

Solución:

RECTIFICADOR TRIFASICO TIRISTORES Y CARGA RESISTIVA-INDUCTIVA-BATERÍA

XG 1 2 3 0 GAT PARAMS:V=220 F=50

XT 1 2 3 4 RTTP PARAMS: TD=60 TP=45 F=50 T1=1 T2=1 T3=1

RL 4 5 10

LL 5 6 10M

VE 6 0 50

.LIB LEP.LIB

.TRAN 40U 20M 0 40U

.OPTIONS ABSTOL=10U RELTOL=10U ITL4=80

.PROBE

a) La tensión de pico en la carga corresponderá con la tensión máxima suministrada por la red:

En la gráfica adjunta representa la tensión que hay en la carga. El valor máximo de tensión en la carga: 155.65 voltios. Para eso es necesario activar en el Pspice el Probe y representar la tensión en la carga que en nuestro caso es de V(4)=V(4,0). Respecto al momento de conducción es el de 90º (suma del ángulo de disparo de 60º y el ángulo de sincronismo de 30º) El ángulo de mantenimiento de los disparos es de 45º (Si la bobina de la carga es mayor entonces se necesitará un ángulo mayor).

b) La corriente de pico en la carga se correspondería con la intensidad máxima y se podría obtener de la tensión máxima:

En la gráfica adjunta representa la intensidad que hay en la carga. El valor máximo de tensión en la carga: 311.14 voltios. Para eso es necesario activar en el Pspice el Probe y representar la intensidad en la carga que en nuestro caso es de I(RL). Respecto al momento de conducción es el de 90º (suma del ángulo de disparo de 60º y el ángulo de sincronismo de 30º) El ángulo de mantenimiento de los disparos es de 45º (Si la bobina de la carga es mayor entonces se necesitará un ángulo mayor).

c) La tensión media en la carga:

En la gráfica adjunta representa la tensión que hay en la carga y la curva que representa la curva AVG(v(4)) que es la curva donde nos apoyamos para medir la tensión media en la carga. Para obtener el valor de la tensión media debemos mirar el valor que existe al final del periodo de la curva AVG(v(4)). En nuestro caso el valor de la tensión media de la carga: 155.65 voltios. Respecto al momento de conducción es el de 90º (suma del ángulo de disparo de 60º y el ángulo de sincronismo de 30º) El ángulo de mantenimiento de los disparos es de 45º (Si la bobina de la carga es mayor entonces se necesitará un ángulo mayor).

d) La corriente media en la carga:

En la gráfica adjunta representa la corriente que circula por la carga y la curva que representa la curva AVG(I(RL)) que es la curva donde nos apoyamos para medir la corriente media en la carga. Para obtener el valor de la corriente media debemos mirar el valor que existe al final del periodo de la curva AVG(I(RL)). En nuestro caso el valor de la corriente media de la carga: 10.68 amperios. Respecto al momento de conducción es el de 90º (suma del ángulo de disparo de 60º y el ángulo de sincronismo de 30º) El ángulo de mantenimiento de los disparos es de 45º (Si la bobina de la carga es mayor entonces se necesitará un ángulo mayor).

e) La corriente eficaz en la carga:

En la gráfica adjunta representa la corriente que circula por la carga y la curva que representa la curva RMS(I(RL)) que es la curva donde nos apoyamos para medir la corriente eficaz en la carga. Para obtener el valor de la corriente eficaz debemos mirar el valor que existe al final del periodo de la curva RMS(I(RL)). En nuestro caso el valor de la tensión media de la carga: 13.08 amperios. Respecto al momento de conducción es el de 90º (suma del ángulo de disparo de 60º y el ángulo de sincronismo de 30º) El ángulo de mantenimiento de los disparos es de 45º (Si la bobina de la carga es mayor entonces se necesitará un ángulo mayor).

f) La corriente en el tiristor T1:

En la gráfica adjunta representa la corriente que circula sólo por el tiristor T1 siendo su valor máximo de: 19.68 Amperios. Para eso es necesario activar en el Pspice el Probe y representar la corriente que pasa por el subcircuito que simula el tiristor T1. Respecto al momento de conducción es el de 90º (suma del ángulo de disparo de 60º y el ángulo de sincronismo de 30º) El ángulo de mantenimiento de los disparos es de 45º (Si la bobina de la carga es mayor entonces se necesitará un ángulo mayor).

g) La corriente media en el tiristor T1:

En la gráfica adjunta representa la corriente que circula sólo por el tiristor T1 siendo su valor máximo de: 19.87 Amperios. Para obtener el valor de la corriente media que tiene que soportar el tiristor T1 es necesario visualizar en el Pspice la curva de AVG(la intensidad del tiristor T1) y medir el valor al final del periodo. En nuestro cas resulta un valor de 3.527 amperios medios.

h) La corriente eficaz en el tiristor T1:

En la gráfica adjunta representa la corriente que circula sólo por el tiristor T1 siendo su valor máximo de: 9.5 Amperios. Para obtener el valor de la corriente eficaz que tiene que soportar el tiristor T1 es necesario visualizar en el Pspice la curva de RMS(la intensidad del tiristor T1) y medir el valor al final del periodo. En nuestro caso resulta un valor de 13.087 amperios eficaces.

2ª Problema para resolver.

Dado un rectificador trifásico controlado simple positivo con carga resistiva, Calcular:

a) Tensión de pico en la carga. b) Corriente de pico en la carga. c) Tensión media en la carga. d) Corriente media en la carga. e) Corriente eficaz en la carga f) Corriente en el tiristor T1 g) Corriente media en el tiristor T1 h) Corriente eficaz en el tiristor T1

RECTIFICADOR TRIFASICO TIRISTORES Y CARGA RESISTIVA-INDUCTIVA-BATERÍA

XG 1 2 3 0 GAT PARAMS:V=220 F=50

XT 1 2 3 4 RTTP PARAMS: TD=60 TP=45 F=50 T1=1 T2=1 T3=1

RL 4 5 10

LL 5 6 10M

VE 6 0 50

.LIB LEP.LIB

.TRAN 40U 20M 0 40U

.OPTIONS ABSTOL=10U RELTOL=10U ITL4=80

.PROBE

DATOS: RL = 10 Ω; V = 220 V; f = 50 Hz; ángulo disparo= 30º

Solución:

a) La tensión de pico en la carga corresponderá con la tensión máxima suministrada por la red:

b) La corriente de pico en la carga se correspondería con la intensidad máxima y se podría obtener de la tensión máxima:

c) La tensión media en la carga:

d) La corriente media en la carga:

e) La corriente eficaz en la carga:

f) La corriente en el tiristor T1:

g) La corriente media en el tiristor T1:

h) La corriente eficaz en el tiristor T1:

Lecturas

Libro de Electrónica de Potencia (Daniel W. Hart)
Problemas Electrónica de Potencia (Andrés Barrado, Antonio Lazaro)
Electrónica de potencia
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema4/Paginas/Pagina3.htm
https://www.youtube.com/watch?v=FNO1EAqiYGM
https://www.youtube.com/watch?v=yry5KvaZZ_s
https://www.youtube.com/watch?v=FNO1EAqiYGM

Referencias

Libro de Electrónica de Potencia (Daniel W. Hart)
Apuntes adquiridos en las clases presenciales del profesor.
Programa de simulación OrCAD Capture.

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