Alta Tensión DC .pdf

GENERACIÓN DE ALTA TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA

Presentado por:

Juan David Martinez Molina

Presentado a:

Ing. OMAR TRUJILLO

ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA JULIO GARAVITO ALTA TENSIÓN BOGOTÁ D.C. 2015

GENERACION DE ALTA TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA 2

TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 3 2. DESARROLLLO DE CONTENIDO ................................................................... 5

3. CONCLUSIONES ........................................................................................... 13

ALTA TENSIÓN TRABAJO 1

JUAN DAVID MARTINEZ MOLINA 2015

Generación de alta tensión de corriente directa 2


1. INTRODUCCIÓN La ingeniería eléctrica siempre ha requerido las generaciones de altas tensiones ya sea en corriente alterna o corriente directa para diversas aplicaciones. Desde luego en el medio de las sociedades actuales la distribución de la energía consumida es de corriente alterna transmitida en grandes cantidades por las necesidades de los usuarios de una ciudad o país según sea el caso. Adicionalmente grandes tensiones de corriente directa también son requeridas; ejemplo del uso de microscopios, sistema de rayos X, precipitadores electrostáticos y aceleradores de partículas son algunas de las aplicaciones donde se necesitan grandes valores de tensiones de corriente directa. Para los ingenieros electricistas, las altas tensiones son fundamentales al momento de probar reacción de materiales sometidos a altas tensiones, simular descargas atmosféricas para la creación de mejores sistemas de protección y desde luego el desarrollo de mejores tecnologías de aislamiento para los sistemas de potencia La generación de alta tensión de corriente directa es el estudio fundamental de este documento entregando información necesaria sobre este tema haciendo una revisión general de los métodos de generación, entregando conclusiones y de la explicación del contenido.





2. ALTA TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA 2.1.1 Rectificadores de media y onda completa En general la generación de alta tensión de corriente alterna es usada para la investigación, siendo requeridos para pruebas de aislamiento para conductores y condensadores, unidades de carga tipo impulso requieren voltajes de 100kV o 200kV. El método clásico para lograr grandes valores de tensión de corriente alterna son los rectificadores, los cuales a partir de fuentes de corriente alterna producen corriente directa y están clasificados en tres grupos: rectificadores de media onda, rectificadores de onda completa o dobladores de tensión tipo rectificador. Los rectificadores son de dos tipos: tubos de electrones o dispositivos de estado sólido; la gran diferencia de estos radica en el valor del pico de tensión inversa que pueden soportar (a rectificar) sin que ocurra una ruptura en el dispositivo 250kV para los de tubos de electrones y 20kV para los semiconductores de estado sólido. Si se desea para mayores valores de tensión se deben usar conexiones en serie con el fin de crear una cadena de semiconductores la cual puede estar sometida a valores de tensión mayores a los anteriormente mencionados teniendo en cuenta el hecho de que después de cierto número de unidades usadas la distribución de tensión deja de ser uniforme y es necesario analizar con precaución este fenómeno y po der normalizar dicha distribución. Rectificador de Media Onda




GENERACION DE ALTA TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA 5 Nuestro sistema empieza con el transformador de alta tensión: el cual tiene como objetivo elevar la tensión a un valor mayor que el valor de entrada según sea el caso. Sin importar si el rectificador es de media onda u onda completa el transformador es fundamental para lograr los valores máximos de voltaje deseados. Posteriormente usamos diodos semiconductores que dependiendo de su conexión permitirán el paso de una señal de tensión en un solo sentido puesto que nuestra señal alterna la dirección de flujo de corriente dependiendo del parámetro del tiempo Mediante el uso de un diodo solo permitimos el paso de un solo ciclo de la señal (positivo o negativo) el cual usamos para cargar hasta el Vmax valor pico de voltaje un capacitor sometido a una sola polaridad de tensión. Entonces en el otro ciclo el cu al la tensión no puede pasar a los terminales del capacitor este queda cargado y es conectado en paralelo a una carga con el objetivo de lograr la descarga de la tensión almacenada por el capacitor. El valor de la capacitancia está directamente ligado a la constante de tiempo CR la cual debe ser por lo menos 10 veces el periodo de la onda de señal de corriente alterna entregada por el transformador de alta tensión. El rectificador debe tener por lo menos un valor de pico inverso de por lo menos 2Vmax asegurando que este no entre en ruptura y para limitar la corriente que pasa por este dispositivo evitando que se dañe por el flujo de corriente interno se suele poner en serie con el rectificador una resistencia de potencia limitando el paso de corriente por toda esa línea del circuito. Rectificador de Onda Completa




GENERACION DE ALTA TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA 6 Ahora analicemos la segunda opción de sistemas de rectificación donde el ciclo positivo el rectificador A conduce la corriente y permite la carga del condensador, pero adicionalmente en el ciclo positivo el rectificador B conduce corriente y permite la carga del capacitor de la misma forma que el ciclo anterior disminuyendo el tiempo en el que se cargaba el condensador en comparación con el sistema de rectificación de media onda basta solo con añadir un tap al transformador con un valor de 2V para poder conectar el terminal negativo del capacitor aun valor de tensión menor del terminal positivo manteniendo la polarización adecuada para el mismo. Si hacemos el estudio de estos dos sistemas migrados para alta tensión de un valor cercano a los 50kV debemos tener en cuenta ciertas condiciones como el hecho de que los rectificadores usados deben tener una construcción especial, donde el ánodo y el cátodo deben estar recubiertos por un blindaje protector y el ánodo tendrá una construcción usualmente de plato circular. Todo esto debido el cambio del campo electrostático al cual están expuestos debido al nivel de tensión durante cierto tiempo, por lo cual el rectificador está inmerso a fuerzas electrostáticas considerables durante los periodos de no conducción por polarización inversa. Por lo cual es necesario proteger estos elementos mediante la fijación rígida del ánodo en un costado del rectificador y el cátodo junto con el filamento conductor están localizados al otro costado del rectificador donde las mallas de acero o una malla apropiada anteriormente mencionadas mantienen envuelto los terminales protegiéndolos de tal forma que al ser sometidos a estas fuerzas mecánicas entre el ánodo y el cátodo son absorbidas por esta malla en su totalidad. Los laboratorios de alta tensión modernos poseen unos rectificadores específicos con el fin de ser usados para la producción de tensiones de corriente directa, ya que los diodos semiconductores poseen un pequeño nivel de conducción de dirección inversa. Los diodos más cómodos usados para la rectificación de alta tensión poseen un voltaje de pico inverso (PIV en inglés) de 1kC o 2Kv experimentando corriente pequeñas de mA y también tenemos los que poseen el material selenio dotándolos de PIV de hasta 500kV los cuales pueden ser usados sin la necesidad de usar ningún tipo de capacitor. En síntesis los dos tipos de rectificación pueden producir alta tensión de corriente alterna siempre por debajo del valor máximo de la onda de corriente alterna, basta con tener en cuenta las condiciones de los materiales y los dispositivos al momento de hablar de alta tensión, ya que pueden cambiar con los conceptos previamente adquiridos a bajas tensiones o tensiones comunes en experimentos, laboratorios y cursos previos a los de estudio de altas tensiones.




GENERACION DE ALTA TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA 7 2.1.2 Riple o rizado de voltaje con rectificadores de media y onda completa Ya analizamos el tratamiento que los rectificadores y la modificación que estos dan a las señales de corriente alterna, analicemos ahora el capacitor el cual se carga y descarga debido a la naturaleza de las señales a la cual está inmersa y a la carga que es conectada en paralelo con el mismo. Estos tiempos de carga y descarga suavizan las variaciones de voltaje creados por los rectificadores los cuales son denominados rizados o riples δV de carga y descarga que desde luego deben ser controlados manteniéndolos en unos límites razonables mediante el uso de filtros. Es importante tener en cuenta que cuando el condensador el voltaje que este va tener no será igual al valor máximo de la fuente de corriente alterna, pero cuando una carga es conectada a este condensador esta descarga el condensador la forma de onda cambiara desde su valor pico hasta cero, situación que puede cambiar dependiendo del tip o de rectificador usado donde notaremos que el δV es mayor para un rectificador de media onda que la de un rectificador de onda completa, debido a que el periodo de descarga en el caso de rectificación de media onda es mas grande:

La grafica a hace referencia a la señal de tensión sinusoidal entregada por el transformador La grafica b muestra una primera señal debida a la rectificación de media onda y una señal pequeña δV (riple) ALTA TENSIÓN TRABAJO 1



GENERACION DE ALTA TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA 8 La grafica c muestra una señal rectificada con onda completa y de nuevo δV (riple) La grafica d muestra la señal con su tensión media, δV (riple) y su valor máximo Podemos concluir entonces que en a) el δV depende de la frecuencia de la tensión de alimentación en b) δV depende de la constante de tiempo CRL y en c) de la reactancia XL del transformador de forma general la frecuencia se duplica en los rectificadores de onda completa y el δV se debe mantener lo más bajo posible por medio de un condensador adecuado para filtrar dicha señal y una reactancia del trasformador para una determinada RL. 2.1.3 Circuitos dobladores de tensión Una vez entendido la forma básica de generación de alta tensión en corriente directa por medio de rectificador de media onda como de onda completa, es importante tener en cuenta que ninguna de estas configuraciones podrá llegar al valor máximo disponible entregado por la señal de corriente alterna; si se desean mayores valores se procede a usar un sistema doblador de tensión o sistemas de rectificación son puestos en cascada logrando mayores niveles de tensión. El circuito doblador de tensión hace dos tratamientos distintos a la señal: el primero es un cam biador de nivel y el segundo es la rectificación que explicamos ya con anterioridad: Cambiador de nivel Es una configuración la cual permite que la señal alterna de entrada suba o baje a partir de la referencia cero

Cuando el voltaje está en el primer ciclo (positivo) el diodo esta polarizado en inverso y el circuito es el condensador con la carga (dado el caso que esta exista), en el ciclo negativo de la fuente el diodo esta polarizado en directo y la corriente fluirá por dicho componente cargando el condensador





Con la polaridad marcada en la imagen, luego podemos analizar el resultado de la señal final que entrega este circuito; donde el primer ciclo vuelve a suceder el condensador está cargado debido al ciclo anterior el voltaje que ve la carga vera entonces la suma de voltajes: condensador m ás la fuente, donde el condensador estará cargado de manera constante a un valor de vp, y la señal de la fuente es la misma señal sinusoidal del principio:

Para el ciclo negativo hay un cambio de polaridad de la señal sinusoidal y tenemos esta vez una resta de los dos valores de tensión lo cual muestra el desplazamiento de la señal de la fuente una vez más subiendo el valor de origen donde esta se origina




GENERACION DE ALTA TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA 10 Entonces la señal final de salida para la carga o en este caso para el segundo tratamiento vendría de esta forma:

El segundo tratamiento es una rectificación con condensador de f iltrado pero esta vez el rectificador rectificara una señal de 2V y no de V como pasaría en un rectificador sin tratamiento previo de cambiador de nivel, y luego el condensador reducirá el rizado de dicho rectificador con su proceso de carga y descarga la figura que muestra el circuito final de estas dos configuraciones se muestra a continuación:

Donde C1 y R1 conforman el circuito de cambio de nivel y el circuito de rectificación conformado por R2 C2 y Rl el cual vera el doble del voltaje como se explicó anteriormente.




GENERACION DE ALTA TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA 11 El anterior circuito entonces doblara la tensión que llega a la carga a partir de la tensión de entrada, sin embargo la siguiente configuración obtiene una salida de 4V y no es otra cosa que la conexión en cascada de dos circuitos dobladores cada uno aportando 2V a la carga para aumentar el voltaje final visto por ella como lo muestra el esquema:

El primer sistema doblador posee los componentes: R1,R2,T1,C1 y C2. El segundo sistema doblador posee los componentes: R3,R4,C4,C5 y T2 Agregamos un trasformador de aislamiento T para el siguiente doblador para que no tenga como referencia la tierra si no que su sistema de referencia sea el primer nivel de tensión entregado 2V y la salida. La distribución de energía es uniforme, ya que los 4 condensadores usados en la configuración deben tener igual valor. Esta configuración puede ser usada de igual m anera para un voltaje de salida para carga de 6V, 8V y así sucesivamente basta solo con agregar transformadores de aislamiento por cada etapa nueva a adicionar teniendo en cuenta que el ni vel de aislamiento deberá ser mayor dependiendo de la etapa en la que se encuentre. La siguiente grafica muestra las formas de onda que se obtienen del circuito en cascada:





1) Señal de tension de entrada 2) Señal de salida sin filtro por condensador 3) Señal de salida con filtro por condensador





3. CONCLUSIONES El uso de procesos de rectificación para la generación de altas tensiones de corriente directa es bastante recomendable por los niveles de energía que se pueden alcanzar a partir de fuentes de corriente alterna usando los transformadores adecuados según sean los diseños y las tensiones q ue se desean obtener con fines investigativos o aplicativos de manera rápida y eficaz. Los condensadores filtran las señales entregando niveles de corriente directa mucho más aproximados, no solo basta con usar rectificadores de señal para garantizar sistemas de corriente directa con buena calidad de señal. En la alta tensión se deben tener en cuenta los niveles de aislamiento requeridos por los niveles de tensión de trabajo, esto modificara en gran medida la construcción y diseño de los dispositivos usados para la generación de altas tensiones de corriente directa, alejándose un poco de las construcciones acostumbradas a estudiar en sistemas de baja tensión. En todos los circuitos doblador de tensión, si se utilizan las válvulas, los transformadores de filamento tienen que ser diseñados y aislados adecuadamente, ya que todos los cátodos no estarán al mismo potencial de tierra. La disposición se vuelve muy complicada si se desea obtener a la salida una tensión mayor de 4V para voltajes de trabajo o de carga.





4.

BIBLIOGRAFIA

M S Naidu - V Kamaraju, McGraw-Hil, Second Edition.HIGH VOLTAGE ENGINEERING Circuito cambiador de nivel https://www.youtube.com/watch?v=nZFNGEQZ77o

PRACTICA 2 y 3: GENERACIÓN y MEDICIONES DE ALTAS TENSIONES AC Y DC Luis E. Ardila

Diego M. Calderón

José F. Lozano




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