UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad De Electrotecnia y Computación Departamento de Electrónica Diseño de Fuente de alimentación DC (No estabilizada) Presentado por: Prof. J.M. Arcia Electrónica Industrial/Potencia 2013 I.- Datos iniciales:
Potencia 500W
VDC= 24 V
Vrizo=5%
T1
240V
D1
60Hz R1
Voltaje de red 240Vrms
Frecuencia 60Hz
δ = Heavy Duty
RLoad
+
C1 D2 LED1
Fig.1: Fuente de V DC sin estabilizar II.- Desarrollo: 1. En base al diagrama propuesto, encontramos la corriente que circulará por la carga:
2. El factor de rizo sugerido es del 5%, es decir que las ondulaciones del VDC no deben superar este valor.
√ , Aquí: pp- es pico a pico, rms es el valor efectivo Con esta información podemos calcular el capacitor que nos garantizará que el factor de rizo no supere el 5% esperado, así:
( () ) √ Despejamos el valor del capacitor C1: √
pero lo
Este es un valor bastante alto, se pueden tomar 3 capacitores de 12000 correcto es introducir un filtro LC para evitar los picos de corriente.
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Esto significa que al momento de la recarga del capacitor en cada semiciclo, ocurrirá una superdemanda de corriente del capacitor (ver fig.2), lo que trae como consecuencia:
Alta demanda de potencia en el momento de recarga del capacitor
Desmejora en el factor de potencia
Alta capacidad de corriente de los diodos rectificadores
Aumento de pérdidas por recalentamiento
Fig.2: Procesos transitorios en una fuente de V DC rectificada Para mejorar esta situación se introduce un filtro LC Para que el filtro LC sea efectivo, se debe considerar que la frecuencia de resonancia del filtro debe ser menor que la frecuencia de la fundamental de la red (ya r ectificada), es decir debe filtrar las armónicas de orden superior, así: Donde:
1 es la frecuencia de la fundamental de la red
√
m es el número de fases del rectificador; en monofásico, m=1 para media onda y m=2 onda completa, en trifásico m=3
Debido a que la impedancia de salida del filtro, para cualquier armónica debe ser menor que la resistencia de carga, la capacidad del filtro se obtiene de la condición:
. Valor guía para seleccionar el capacitor
Para efectos de potencia se recomienda 1000uf /1amperio.
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Como la corriente programada es de 20.833Amperios, seleccionamos C=20,000uF. Al confirmar, para
n=1 cumple!
Aquí: n es el número de la armónica y RL = VDC/IRL =1.152 Ohmios es la resistencia que ve el filtro. El factor de rizo se obtiene c omo:
, de aquí se encuentra el valor del inductor o bobina de choque:
, para n=1 Confirmando:
√ , rad/seg, es la frecuencia de resonancia del filtro, cumple! Al introducir valores en la ecuación ( ), da como resultado 5.7% vs 5% programado, es correcto!
V1
2
240 Vrms 60 Hz 0°
0
T1 2
D1 4
1
L1
1
93µH
3
R1
3
D2
C1 20000µF
1.152Ω
Fig. 3: Fuente de Voltaje de DC con filtro LC Dejo al lector, indagar la función del diodo D2.
3. Voltaje en el secundario del transformador:
Donde: √ √ () Este es el voltaje en el secundario del √ √
transformador
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La simulación refleja los siguientes resultados: XWM1 Potencia entregada por el secundario P2=570 W XMM2 Voltaje de DC VDC=24.589 vs 24 programados XMM1 Corriente en la carga IRL=21.345 vs 20.833A programados La eficiencia es:
92.07%, es perfecto!
Fig.4: Resultados de la simulación 4. Corriente en el secundario del transformador: La corriente en el secundario del transformador es la suma de las corr ientes:
ID2=0 Amp. Debido a que está bloqueado para cualquier co rriente positiva que provenga del puente rectificador.
Este dato es importante para la selección de l Así: El voltaje de recarga aplicado al capacitor es
puente rectificador. Este es un pico de corriente bastante alto cuya duración es corta de aproximadamente
√ en cada semiciclo. Al final
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Determinación del retardo de la corriente Vs. Voltaje: Este tipo de circuito por naturaleza desfasa la corriente. Esto se debe a que el voltaje del secundario debe alcanzar cierta amplitud para hacer conducir a los diodos rectificadores. Esta amplitud está dada por
, esto se puede obtener por el método
grafico del voltaje rectificado y el VDC. Así el tiempo que tarda el voltaje de AC en alcanzar esta amplitud es de aproximadamente 1.7mS (36º eléctricos). El factor de potencia: Como se sabe, es el tiempo de retardo de la corriente respecto al voltaje. PF=cos(36º)=0.8 La potencia que ve el secundario del transformador se obtiene como:
En la simulación se obtuvo P 2=570W con un factor de potencia de PF=0.764. Están bastante aproximados. 5. Corriente en el primario del transformador: Aquí se debe tomar en cuenta la pérdida en el transformador, por tal razón se asume una eficiencia del mismo igual 0.9:
6. Calculo del transformador:
, entonces Determinamos el tamaño del núcleo: , Con ayuda de un catálogo de núcleos de transformadores, se selecciona la chapa tipo E/I que cumpla con los parámetros S y S y β =1.3T N
V
m
7. Cálculo del corte transversal del núcleo: En el caso de que no se tenga a mano dicho catálogo, se procede de forma empírica y se obtiene un resultado con bastante aproximación:
8. Cálculo del numero de espiras del primario y sec undario:
( ) ()
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9. Voltios por espiras:
, esto representa que en cada espira se inducirá
0.76 Voltios. Para el primario se hace el mismo procedimiento, resultando: 240/0.76=316 espiras. 1=e1/
ω
α
10. Calculo del Conductor (cu):
, de la tabla podemos seleccionar el AWG #6 que tiene una ampacidad de 38 Amperios. Debido a que el diámetro obtenido es bastante grueso y difícil de manejar, también se pueden seleccionar cuatro conductores AWG # 12 que tiene una ampacidad de 9 .5 Amperios y se conectan en paralelo. Para el primario se puede tomar el AWG #17 con una ampacidad de 3.20 Amp.
III.- Resumen: 1. Este tipo de fuente tiene una gran deficiencia: al trabajar en vacío, el voltaje de DC crece
√
considerablemente hasta alcanzar el . 2. Tiene buen desempeño a plena carga, por lo que se recomienda trabajarla solo con car ga. 3. Si va alimentar electrónica sensible, es obligatorio usar estabilizadores de voltaje para los sistemas de control. IV.- Recomendaciones: 1. Recomendamos al estudiante simular este tipo de circuito. 2. Hacer los cálculos para determinar de dónde saco el profesor todos estos resultados. Esto garantizará la mejora del documento y servirá de autoestudio.
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