Rectifcadores de media onda y onda completa controlados con PWM Electrónica de potencia JHON EDWAR EDWAR JIMENEZ ERIKA PAOA !APIA" O#$eti%o &eneral'
Realizar un circuito rectifcador de onda completa controlado con PWM, utilizado la parte parte de potencia y SCR`S para para observar su uncionamiento. uncionamiento. O#$eti%os espec(fcos'
Realimentar la teoría, partiendo de lo eperimental, verifcando cada uno de los par!metros te"ricos. #nal #naliz izar ar e impl implem emen enta tarr cor correc ecta tame ment nte e el PW PWM M para para de es ese e modo modo conocer el uncionamiento de la parte de control. MAR)O !EORI)O PWM
$a modulaci"n por anc%o de pulsos o p&m de una se'al o uente de ener(ía es una t)cnica en la *ue se modifca el ciclo de traba+o de una se'al peri"dica y sea senosoidal o cuadrada, ya sea para transmitir inormaci"n inormaci"n a trav)s de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de ener(ía *ue se envía a una car(a. $a construcci"n típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. na de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras *ue la otra *ueda disp dispon onib ible le para para la se se'a 'all modu modula lado dora ra.. -n la sali salida da la rec recue uenc ncia ia es (eneralmente i(ual a la de la se'al dientes de sierra y el ciclo de traba+o est! en unci"n de la portadora. $a principal desventa+a *ue presentan los circuitos circuitos PWM es la posibilidad de *ue *ue %aya %aya inter interer erenc encias ias (enera (enerada dass por radio radiore recu cuenc encia. ia. stas stas puede pueden n minim minimiza izars rse e ubica ubicando ndo el contr controla olador dor cerca cerca de la car( car(a a y reali realizan zando do un fltrado de la uente de alimentaci"n.
Figura 1. Principio de operación del convertidor controlado por
fase.
Figura 2. Convertidor monofasico de tiristor con carga resistiva )IR)*I )IR)*I!O" !O" DE DI"P DI"PARO ARO DE !IRI"! !IRI"!ORE ORE" " PARA RE)!I RE)!I+I) +I)ADO ADORE" RE" )ON!ROADO",
-l circuito de disparo o ecitaci"n de compuerta de los tiristores, es una parte inte(ral del convertidor de potencia. $a salida de un convertidor, *ue depende de la orma en *ue el circuito de disparo ecita a los dispositivos de conmutaci"n /tiristores0, es una unci"n directa del proceso de c"mo se desarrolla la conmutaci"n. Podemos decir entonces *ue los circuitos de disparo, disparo, son elementos claves para obtener la salida deseada y cumplir con los ob+etivos del 1sistema de control2, de cual*uier convertidor de ener(ía el)ctrica. -l dise'o de un circuito ecitador, re*uiere el conocimiento de las características el)ctricas de compuerta del tiristor específco, *ue se va a utilizar en el circuito principal de conmutaci"n. Para convertidores, donde los re*uis re*uisitos itos del control control no son ei(entes ei(entes,, puede puede res resultar ultar conveniente conveniente dise'a dise'arlo rlo con circui circuitos tos discr discreto etos. s. -n a*uell a*uellos os conver convertid tidor ores es donde donde se necesita la activaci"n de compuerta con control de avance, alta velocidad, alta efciencia y *ue adem!s sean compactos, los circuitos inte(rados para acti ac tiva vaci ci"n "n de comp compue uert rta a *ue *ue se disp dispon onen en come comerc rcia ialm lmen ente te,, son son m! m!ss conven convenien iente. te. $as $as parte partess compon component entes es de un circui circuito to de dispar disparo o para para tiristores usados en los rectifcadores controlados por ase, a recuencia industrial, son los si(uientes3 -l circuito sincronizador, el circuito base de tiempo para retrasar el disparo, el circuito conormador del pulso, el circuito ampli am plifca fcador dor del del pulso pulso,, el circui circuito to ais aislad lador or y fnalme fnalmente nte el circui circuito to de protecci"n de la compuerta del tiristor. Circuito sincronizador:
-ste circuito, se encar(a de iniciar la base de tiempo en sincronismo sincronismo con la recuencia de red, de manera tal de retrasar el mismo !n(ulo /respecto al cruce por cero de la tensi"n de red0, el pulso de disparo, en todos los semiciclos. Entrada señal de control:
-sta se'al es la *ue determina el retraso del !n(ulo de disparo, se'al (enerada en orma manual o a trav)s de un sistema realimentado. Para este 4ltimo caso, la se'al se (enera por la interacci"n de la se'al de reerencia, la se'al realimentada y el al(oritmo de control. Circuito base de tiempo:
-n los circuitos anal"(icos, la base de tiempo se (enera por medio de un circuito tipo RC, o sea a trav)s de la car(a de un condensador, con una constante de tiempo 5 6 CR., %asta una tensi"n *ue (enera un pulso de disparo. -n los sistemas pro(ramables, la base de tiempo se (enera por pro( pro(ra rama maci ci"n "n o por por me medi dio o de un temp tempor oriz izad ador or inte intern rno o *ue *ue se ca carr(a tambi)n por pro(ramaci"n. Generación de los pulsos de disparo:
Para la (eneraci"n de los pulsos, se disponen de muc%as variantes de circ ircuito itos, co con n apl aplica icaci"n ci"n de trans ansisto istorres bipola polarres o media edian nte semiconductores específcos, *ue (eneran, cortos pulsos de disparo. Circuito de aislamiento entre el generador de pulsos el circuito convertidor:
7unda undame ment ntal alme ment nte e se util utiliz izan an dos dos t)cn t)cnic icas as.. na na es la de util utiliz izar ar un transormador transormador aislador de pulsos y la otra un dispositivo semiconductor semiconductor oto controlado controlado de silicio, tambi)n llamado opto acoplador. acoplador. 8tra 8 tra t)cnica utilizada es a trav)s de las fbras "pticas con emisor en el circuito de disparo y receptor en el circuito de compuerta. Protección de la compuerta:
Se utilizan circuitos de protecci"n contra disparos por tensiones espurias. M!s adelante, adelante, desarr desarrolla ollarem remos os con m!s amplitud, amplitud, estos elementos elementos *ue componen el circuito de disparo. !E"#C$%&'C($)E! *'E GE%E)+% P',!$! &E &#!P+)$
-isten una (ran variedad de dispositivos semiconductores *ue pueden utilizarse para (enerar pulsos de disparo. -ntre ellos tenemos a*uellos *ue act4an como transistores y otros lo %acen como tiristores. tiristores. Se los utiliza para (enerar pulsos de disparo en circuitos de rela+aci"n /osciladores0 o como disparadores por nivel de tensi"n. Pre&-ntas pre%ias al desarrollo de la pr.ctica' /, 9:#;R#M# -< =$8>-S3 Transformador
Detector de cruce por cero
Alimentación de red AC (120 V – 60 Hz)
!"
Circuito inte#rador
0, 1Analice c-alitati%amente s- 2-ncionamiento y m-estre m-estre las 2ormas de onda &eneradas c-ando este tra#a$a en carrera li#re3 O")IADOR' :nicialmente se tiene un diodo 9? *ue nos rectifca la onda @?
obteniendo 4nicamente el semiciclo positivo de esta onda, se(uida de un divisor del volta+e tal *ue el volta+e de base sea muy pe*ue'o, para *ue traba+e en zona de corte y saturaci"n, este transmite los pulsos a trav)s del colector *ue ser!n recibidos en la si(uiente etapa.
O")IADOR IN!E4RADOR3 -n esta etapa, un impulso lo podemos descomponer como una
sucesi"n de tensiones, constantes. Se ve *ue el circuito es un (enerador de corriente constante, con lo cual el condensador C?, se car(a con una tensi"n *ue *ue varí varía a line lineal alme ment nte, e, %ast %asta a alca alcanz nzar ar la tens tensi" i"n n de satu satura raci ci"n "n *ue *ue es entre(ada por el transistor.
IN!E4RADOR )OMPARADOR' Compara la se'al de un diente de sierra, con una 9C. #l fnal
entre(a una onda cuadrada, variando la relaci"n tec%oA valle manteniendo el periodo constante. 5, 1)ómo se sincroni6a -n PWM con la red el7ctrica3 el7ctrica3
$a sincronizaci"n de un p&m con la red el)ctrica se lo(ra con el uso de un transormador *ue traba+a con una recuencia de entrada de BDz y al ser rectifcada se obtiene una se'al de ?EDz y posteriormente detectando un cruce por cero de la se'al. 8, 1)ómo se acopla -n PWM a -na etapa de potencia con rectifcador controlada con ")R9s3
#un*ue eisten varias ormas de acoplar un PWM a una etapa de potencia con rectifcador rectifcador controlada con SCR la orma m!s sencilla y fable de acoplar ambas etapas es a trav)s de un opto acoplador y un triac, los cuales mantendr!n totalmente aislada la parte de potencia de la de control y de esta orma (uardando la se(uridad del usuario. :, 1)ómo 2-nciona -n ")R en D) y en A)3 +*N)IONAMIEN!O DE ")R EN )ORRIEN!E )ON!IN*A
Si no eiste corriente en la compuerta el tiristor no conduce. $o *ue sucede despu)s de ser activado el SCR, es *ue se *ueda conduciendo /activado0 y se mantiene así. Si se desea *ue el tiristor de+e de conducir /desactivado0, el volta+e F@ debe ser reducido a @oltios. Si se disminuye lentamente el volta+e /tensi"n0, el tiristor se(uir! conduciendo %asta *ue por el pase una cantidad de corriente menor a la llamada Gcorriente de mantenimiento o de retenci"nG, lo *ue causar! *ue el SCR de+e de conducir aun*ue aun*ue la tensi"n tensi"n @; /volta+e /volta+e de la compue compuerta rta con respec respecto to a tierra tierra no sea cero. Como se puede ver el SCR, tiene dos estados3 ?A -stado de conducci"n, conducci"n, en donde la resistencia entre entre !nodo y c!todo es muy ba+a EA -stado de corte, donde la resistencia es muy elevada. +*N)IONAMIEN!O DE ")R EN )ORRIEN!E A!ERNA
Se usa principalmente para controlar la potencia *ue se entre(a a una car(a el)ctrica. /=ombillo, Motor, etc.0. $a uente de volta+e puede ser de ??@ c.a., ?E@ c.a., EH@ c.a, etc. -l circuito RC RC produce un corrimiento corrimiento de la ase entre la tensi"n de entrada y la tens tensi" i"n n en el cond conden ensa sado dorr *ue *ue es la *ue *ue sumi sumini nist stra ra la corr corrie ient nte e a la compuerta del SCR. -l volta+e en el condensador est! atrasado con respecto al volta+e de alimentaci"n causando *ue el tiristor conduzca un poco despu)s de *ue el tiristor ten(a la alimentaci"n necesaria para conducir. 9urante el ciclo ne(ativo el tiristor se abre de+ando de conducir. Si se modifca el valor valor de la resis resisten tencia cia,, por e+e e+emp mplo lo si utiliz utilizam amos os un potenc potenci"m i"metr etro, o, se modifc modifca a el desas desase e *ue *ue %ay entr entre e las dos tensio tensiones nes antes antes me menc ncion ionada adass ocasionando *ue el SCR se active en dierentes momentos antes de *ue se desactive por el ciclo ne(ativo de la se'al, y de+e de conducir. ;, 1)-.les son las principales caracter(sticas el7ctricas de -n ")R3
$as características *ue se deben tener en cuenta de un SCR al momento de realizar un dise'o son la corriente corriente o el volta+e necesarios en la compuerta para el disparo del tiristor, los volta+es m!imos en conei"n inversa y directa, la corriente m!ima directa *ue soporta, y la m!ima potencia *ue puede disipar. Iodas Iodas estas característic características as son dadas por el abricante3 abricante3
B@ R4K > > ?JK. !emperat-re > AH LC a ?? LC )orriente RM" > H # Corriente media6 E.NN #, )orriente Pico > E # B @ Imantenimiento > Bm# B@ )orriente m.?ima =-e soporta> .E # Potencia M.?ima =-e soporta > .NW ).lc-los
Rectifcador de onda completa controlado.
•
Para ? (rados3 t 1 =
(
10 ° 16.66 mseg 360 °
)
= 0.462 mseg
τ = RC
Para ? (rados3 t 2 =
(
170 ° 16.66 mseg
V dc =
360 °
2
)
=7.86 mseg
180
∫ Vmaxsen ( w ) dw
2 π 10
Para ?O (rados V dc =
V dc =
25.45
π
180
∫ sen ( w ) dw 10
−7.2 180 = 4.54 V cos ( w ) ] [ π 10 2
2
Vdc 4.54 Pmax = = =129.3 mW R Ω
Para ? (rados V dc = V dc =
7.2
π
180
∫ sen ( w ) dw 170
−7.2 180 =34.8 mV cos ( w ) ] [ π 170 2
2
Vdc 34.8 Pmin= = =0.7 uW R Ω
An.lisis de res-ltados Par.met ro +orma de onda de la se@al de sincroni smo +orma de onda salida del inte&rad or +orma de onda de la salida del PWM ciclo Ctil m.?imo +orma de onda de la salida
/<
/<
/,5<
8<
8,0B<
8,50<
8,:8<
8,<
:<
58,/m<
:Bm<
;m<
del PWM ciclo Ctil m(nimo +orma de onda so#re la car&a Media onda
8,0<
:<
"im-laciones Onda completa y Media Onda
A contin-ación se presentan cada -na de las 2ormas de onda del PWM Practica
"im-lación
-n las anteriores f(uras se obsevar el cruce por cero PWM, el cual esta sincronizado con la red, a un volta+e ma de B.BH@
#*uí se puede obsevar la onda trian(ulo, el cual es la inte(racion de la onda del cruce por cero del PWM, en la ima(en tomada en la practica se puede apreciar *ue tiene un volta+e maimo de H,E@.
-n estas f(uras se pueden apreciar la orma de onda de la salida del PWM, dic%a onda se puede modular o variar su ciclo con ayuda de un potenci"metro. Media onda /B &rados
Media Onda /B &rados
Onda )ompleta /B &rados,
Onda completa /B &rados,
)-estionario
?. QCu! QCu!ll anc anco o de la onda onda (ener (enerad ada a por por el PWM defne defne el !n(ul !n(ulo o de conducci"n conducci"n de los SCRs de de la etapa de potenciaT potenciaT -l anco de subida de la onda (enerada por el PWM es el *ue defne el !n(ulo de conducci"n de los SCRUs E. Q-pli*ue c"mo unciona el puente rectifcador rectifcador semicontroladoT semicontroladoT -n este proyecto se realizara un rectifcador mono!sico mono!sico semicontrolado. semicontrolado. -s un circ ircuito ito b!si !sico es esttudia udiant ntiil. n rec ecti tifc fcad ador or mono ono! !sico ico semicontrolado cumple E unciones, la primera es rectifcar una se'al #C, es decir la vuelve 9C, y la se(unda es controlar dic%a rectifcaci"n, es decir se puede ele(ir *ue tanta se'al *ueremos *ue pase a la salida. -sto se realiza %aciendo uso de SCRUs, *ue a dierencia de los diodos, permiten controlar el !n(ulo a partir del cual empiezan a conducir. n rectifca rectifcador dor mono!s mono!sico ico sem semicont icontrol rolado, ado, %ace uso de solo dos SCRUs, SCRUs, completando el puente rectifcador con diodos, como se muestra en la si(uiente f(ura3
Figura -. )ecticador monof/sico semicontrolado.
. Q-p Q-pli li*u *ue e c"mo c"mo unc uncio iona na el sinc sincrronis onismo mo entr entre e la red el)c el)ctr tric ica a y el disparo de la etapa de potenciaT Para realizar el sincronismo con la red primero es necesario realizar un detector de cruce por cero, el cual se encar(a de detectar literalmente la tran transi sici ci"n "n de una una or orma de onda onda de se'a se'all de posi positi tivo vo y ne(a ne(ati tivo vo,, proporcionando proporcionando idealmente un pulso estrec%o *ue coincide eactamente con la condici"n de tensi"n cero, despu)s se realiza un proceso de inte(raci"n inte(raci"n y lue(o se compara compara la rampa de la inte(raci"n inte(raci"n con un nivel nivel 9C, dando a la salida de este unos pulsos, los cuales ser!n enviados al SCR *ue i(ualmente se encuentra conectado a la red, estos pulsos son 1comparados2, %aciendo *ue cada vez *ue %aya un cruce por cero, est)n sincronizadas ambas etapas. H. QCite QCite y epli*ue epli*ue dos dos alternati alternativas vas dier dierentes entes de de circuit circuitos os de contr control ol *ue puedan re(ular la etapa de potencia cumpliendo el mismo ob+etivo sobre la car(aT •
PWM cruce por cero con comparador3 -isten distintos m)todos para para vari variar ar el anc% anc%o o de los los puls pulsos os.. -l m! m!ss co com4 m4n n y el *ue *ue incentiva esta potencia es la modulaci"n senoidal del anc%o de pulso /SPWM0. -n el control PWM senoidal se (eneran los anc%os de puls pulso o al comp compar arar ar un volt volta+ a+e e de reer eeren enci cia a tria trian( n(ul ular ar de ampli am plitud tud #r y de recu recuenc encia ia r con con otro otro volta+ volta+e e sem semiAs iAseno enoida idall portador de amplitud variable #c y de recuencia E s. -l volta+e semiAsenoidal de reerencia est! en ase con el volta+e de ase de entrada pero tiene E veces su recuencia. $a amplitud del volta+e semiAsenoidal de reerencia controla el índice de modulaci"n M *ue varía entre y ?, es decir, a ? V. -l índice de modulaci"n se defne como3 M 6 #mplitud de semiAsenoidal de reerencia #mplitud de trian(ular de reerencia -n una modulaci"n SPWM, el actor de desplazamiento es la unidad y el actor de potencia se me+ora en (ran medida respecto del PWM normal.
)oncl-siones'
Para lo(rar una sincronizaci"n con la red es indispensable realizar un cruce por con el menor anc%o de pulso posible.
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Comprobamos *ue la potencia de car(a puede variar para rectifcadores de media onda y de onda completa Si el PWM no varía con el anco de subida, el control de disparo *ueda f+o y al variar el nivel 9C se encontraría en X o en YX -l detecto de cruce por cero (enera una se'al de picos *ue pasan a trav)s de un inte(rador para (enerar nuestra se'al diente de sierra -l !n(ulo de disparo depende del valor del divisor de tensi"n *ue se compara con la se'al rampa $a tensi"n tensi"n de alimentac alimentaci"n i"n de los comparador comparadores es tiene *ue superar superar el valor pico m!imo de las se'ales *ue est!n siendo compradas. $os M8CS ayudan a separar la etapa de control de la etapa de potencia 9ebe 9eben n eis eisti tirr E SCR SCR en una una conf conf(u (ura raci ci"n "n de puen puente te para para *ue *ue se aprovec%e los dos semiciclos de la se'al con la cual se alimenta la car(a. #l disparar el SCR en un !n(ulo de ? (rados se aprovec%a alrededor de un YV de la se'al alterna sobre la car(a en cada semiciclio, y cuando se dispara el SCR en un !n(ulo de ?O (rados se aprovec%a alrededor de un ?V de la se'al alterna sobre la car(a en cada semiciclio.
