FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Electrónica y Control Carrera de Ingeniería Eléctrica

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1 FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Electrónica y Control Carrera de Ingeniería Eléctrica LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA 1. TEMA PRÁCTICA N 9 RECTIFICADOR MONOFÁSICO CONTROLADO DE MEDIA ONDA Y ONDA COMPLETA 2. OBJETIVOS 2.1. Diseñar e implementar un rectificador monofásico controlado de media onda Diseñar e implementar un rectificador monofásico controlado de onda completa con tap central. 3. MARCO TEÓRICO SCR (RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO) Es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. Un SCR posee tres terminales externos para conexión, denominados: ánodo, cátodo y gate (puerta). Figura 1. Esquema de un SCR. Funciona básicamente como un diodo rectificador pero controlado, ya que es un elemento unidireccional que conduce corriente en sentido ánodo cátodo, cuando esta polarizado directamente, pero a su vez requiere que se tenga un impulso de corriente en el gate.

2 Figura 2. Formas de onda de un rectificador controlado. CURVAS DE FUNCIONAMIENTO O CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DEL SCR. Figura 3. Curvas características de un SCR. El SCR puede operar en las siguientes zonas: - Avalancha: Destrucción del elemento. (Zona A-B) - Bloqueo inverso: actúa con un interruptor abierto, para entrar a esta zona el voltaje ánodo cátodo se encuentra polarizado inversamente (Vak < 0). (Zona B-C) - Bloqueo directo: el voltaje ánodo cátodo esta polarizado directamente (Vak>0) pero en esta zona no existe una corriente de disparo en la compuerta (Gate). (Zona C - D)

3 - Resistencia Negativa. Conforme aumenta Ig se reduce el voltaje de bloqueo directo y cuando llega al valor de corriente de enganche entra a conducir. (Zona D E) - Conducción: el voltaje ánodo cátodo esta polarizado directamente (Vak>0) y también existe una corriente de disparo en la compuerta (Gate), actúa como un interruptor cerrado. (Zona E F). DISPARO DEL TIRISTOR: El disparo del elemento se puede producir por disparos no deseados (exceso de tensión o derivada de tensión) y por disparos deseados (Impulso de puerta). Por exceso de tensión: Si la tensión soportada por la unión de control se acerca al valor de ruptura en sentido directo, la corriente de minoritarios aumenta considerablemente (proceso de avalancha). Si la corriente de fugas se eleva por encima del valor de mantenimiento el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción. Figura 4. Polarización por exceso de tensión. Por derivada de tensión: Si se produce un cambio brusco de polarización inversa a directa, no hay tiempo para la organización de cargas. La tensión soportada por la unión de control será elevada, si la corriente de portadores minoritarios se eleva por encima del valor de mantenimiento, el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción. Figura 5. Polarización por derivada de tensión.

4 Por radiación electromagnética: La acción combinada de tensión directa, temperatura y radiación electromagnética de longitud de onda apropiada puede incrementar la corriente de portadores minoritarios. Si la corriente de fugas se eleva por encima del valor de mantenimiento, el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción. Figura 6. Polarización por radiación electromagnética. Por impulso de puerta: Los huecos inyectados por la puerta producen la inyección de una nube de electrones desde el cátodo, generando una corriente la cual, si se eleva por encima del valor de enclavamiento, el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción, aunque desaparezca la corriente de puerta. Figura 7 Polarización por impulso de puerta. TIPOS DE ACOPLAMIENTO DEL PULSO: Existen tres tipos de acoplamientos que se pueden utilizar: Acoplamiento directo o tierra común: El cátodo se encuentra referido a masa

5 Figura 8. Acoplamiento directo. Acoplamiento magnético: El cátodo no se encuentra referido a masa Figura 9. Acoplamiento magnético. Acoplamiento óptico: Se puede realizar por medio de optoacopladores o fibra óptica. DIMENSIONAMIENTO DE LA RESISTENCIA DE COMPUERTA: Para activar a los SCR de esta práctica, el estudiante debe generar un tren de pulsos el cual será usado como señal de control. Tener en cuenta que se debe realizar la detección de cruce por cero del voltaje de entrada para empezar a generar los pulsos y que debe haber una resistencia (Rg) en la compuerta para limitar la corriente de disparo.

6 Figura 10. Dimensionamiento de Rg. Mediante la resistencia Rg lo que se hace es limitar la corriente que llegue a la compuerta, esta corriente en lo posible hay que hacer que sea igual al valor para la corriente de disparo Igt (corriente mínima de disparo) que indica la hoja datos del SCR utilizado. La corriente que no se debe sobrepasar porque se puede dañar el tiristor es la corriente Igm (corriente máxima que puede soportar la compuerta). En la ecuación de la figura, los valores de Igt (corriente mínima de disparo), Vgt (Tensión de disparo del SCR) se los encuentra en el datasheet del elemento. El voltaje Vg (Voltaje de control) depende de la alimentación que posee el circuito que genera los pulsos. Despejando la resistencia Rg obtenemos el valor de la misma para limitar la corriente de la compuerta según lo recomendado por el fabricante. 4. TRABAJO PREPARATORIO 4.1. Dimensionar los elementos que forman parte del circuito de la Figura 11, para un ángulo de disparo entre 10 y 170 grados y un voltaje de entrada de 127 [VRMS]. Se debe considerar que el circuito de disparo debe estar referido al cátodo del SCR. Simular y presentar las formas de onda de voltaje y corriente en la carga, en la línea y en el semiconductor en ambos circuitos.

7 Figura 11. Circuito literal 4.1. Diseñar y simular los circuitos de control PWM para frecuencias entre 1 y 10 KHz, además se debe poder variar la relación de trabajo entre 0,1 < δ < 0,9. (Con rampa lineal o microcontrolador) 4.2. Dimensionar los elementos que forman parte del circuito de la Figura 12, para un ángulo de disparo entre 10 y 170 grados y un voltaje de entrada de 127 [VRMS]. Simular y presentar las formas de onda de voltaje y corriente en la carga, en la línea y en los semiconductores. Figura 12. Circuito literal 4.2. Tomar en cuenta que para la activación de los SCRs, se recomienda el circuito de la Figura 13. Figura 13. Acoplamiento control-potencia con optotriac. El optoacoplador es un optotriac de la serie MOC3020/3021 el cual no necesita una fuente auxiliar como el optotransistor.

8 5. EQUIPO Y MATERIALES 5.1. Fuente de poder DC Foco de 100 W, 120 V Transformador con Tap Central Inductor Motor DC Osciloscopio Analizador de armónicos Fluke 41B Multímetro Puntas de prueba Cables. 6. PROCEDIMIENTO 6.1. Verificar el correcto funcionamiento de los diferentes circuitos para ángulos de disparo de 135 y 90 en cada caso. Tomar formas de onda de voltaje y corriente sobre la carga y en la línea Medir el valor de voltaje, corriente y potencia en la carga para los casos del literal Medir las potencias: aparentes, activa, reactiva y el factor de potencia en la línea para los casos del literal INFORME 7.1. Presentar formas de onda y comentar los resultados obtenidos Realizar los cálculos teóricos para los casos del literal Comparar los resultados experimentales con los obtenidos de manera teórica en el literal anterior. Justificar los errores encontrados Conclusiones y recomendaciones Bibliografía.

9 8. REFERENCIAS 8.1. José Rodríguez, Pablo Lezana, Samir Kouro, and Alejandro Weinstein. 11 single phase-controlled rectifiers. In Muhammad H. Rashid, editor, Power Electronics Handbook (Third Edition), pages Butterworth-Heinemann, Boston, third edition, Elaborado por: Revisado por: Oscar Gonzales, M.Sc. Dr. Alberto Sánchez / Dr.-Ing. Marcelo Pozo