Alumnos: Grupo: PRÁCTICA 1: DISEÑO Y VERIFICACIÓN DE N RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA NO CONTROLADO. CARGA R, RL. OBJETIVO Comprobación del funcionamiento del rectificar monofásico de media onda con carga resistiva e inductiva. Efecto del dio volante sobre la carga inductiva. Análisis comparativo de los resultas teóricos y experimentales. Explicar posibles divergencias. 1. Introducción. La etapa de entrada de la mayoría de los sistemas de potencia, que se alimentan directamente de la red alterna, está formada por un circuito rectificar. La tensión alterna de red (50 ó 60 Hz) se rectifica y se filtra ligeramente para obtener una tensión continua que alimenta a los regulares. La misión del rectificar es distorsionar la sinusoide de entrada para que su salida tenga una componente de continua. También aparecen armónicos no deseas, que deberán ser filtras, para alimentar a la carga con una tensión prácticamente continua. Entre otras aplicaciones, las áreas típicas son: fuentes de alimentación, calefacciones eléctricas, instalaciones de iluminación, accionamientos eléctricos, dispositivos de alimentación de energía, etc. En función de la potencia y de la tensión requerida, se elige entre convertires estáticos, conmutas por la red, con conexión monofásica o trifásica. Los rectificares no controlas están formas exclusivamente por dios, no necesitan circuitos de man, por lo que los dios conmutan de manera natural, es decir, forzas por la fuente de alimentación de entrada. En la figura 1a y 1b se muestran las configuraciones básicas de los montajes rectificares monofásicos de media onda y de onda completa. + I d I d + d - d Rectificar tipo P1 o media onda. a) b) Figura 1: Configuración básica de los rectificares monofásicos de media onda y onda completa. Las características deseables de un rectificar son: - Rectificar tipo PD o de onda completa Proporcionar una salida continua con el menor conteni en armónicos posible (bajo riza). Mantener la corriente de entrada tan senoidal como sea posible y en fase con el voltaje de entrada, de tal forma que el factor de potencia esté cercano a la unidad (mayor aprovechamiento de la potencia entregada por la fuente). niversitat de Valencia Curso 08/09 1
De acuer con estas premisas, el rendimiento de un rectificar se evalúa en función de los parámetros siguientes: Valor medio de la tensión de salida: Valor medio de la corriente de salida (de carga) I 1 Potencia entregada a la carga o potencia activa: Pdc = v t i t dt = I T ( ) ( ) [W] T (únicamente para carga resistiva) Valor eficaz de la tensión de salida, d_eff Valor eficaz de la corriente de salida I d_eff Potencia de salida en ac o potencia aparente: P ac = d_eff I d_eff [VA] El Factor de conversión, o eficiencia, se define como el cociente entre la potencia activa y la aparente: η = P P dc ac Valor efectivo (rms) de la componente ac de la tensión de salida: RMS _ ac Factor de forma, que es una medida del conteni de la componente ondulatoria: _ d, eff RMS ac Factor de riza: r = = = f 1 F 100(%) = d, eff f F = d, eff. Montaje experimental. Realizar el montaje del rectificar monofásico de media onda, con carga resistiva de la figura 1a. Tarjeta de red Figura : Disposición del montaje experimental Se dispone de un transformar de red (0 / 3 Vac), un interruptor y un fusible (rearmable), tal y como se indica en la figura, monta en una caja que llamaremos tarjeta de red. Los pasos a seguir son: 1. Conectar la tarjeta de red a la toma de red y verificar con el osciloscopio que se obtiene una tensión senoidal de salida de 3 V eff (aproximadamente), una vez encendi el interruptor. Medir con el multímetro el valor eficaz de dicha tensión senoidal. V sec =... V eff. Apagar el interruptor y conectar al transformar un dio rectificar (BY55 ó BY99) y una carga de 31.3 Ω, de acuer con la configuración de la figura 1a (rectificar de media onda). Son vális cualquiera de los s dios siguientes. BY55: 1300 V / 3 A BY99: 1000 V / A / <500 ns niversitat de Valencia Curso 08/09
3. Dibujar la forma de onda de tensión y corriente en el secundario del transformar y tensión y corriente en bornes de la carga. CH1: d Escala:... B.T.:... CH1: V sec Escala:... B.T.:... CH: I d Escala:... CH: I sec Escala:... 4. Dibujar la forma de onda de la tensión áno-cáto del dio rectificar. Para una carga máxima de 31.3 Ω verificar la corriente directa por dicho dio y su tensión inversa. Comprobar que el dio rectificar está sobredimensiona. Explica los tres oscilogramas anteriores: CH1:V AK (dio) Escala:... B.T.:... CH: I Dio Escala:... niversitat de Valencia Curso 08/09 3
5. Medidas experimentales: Se van a efectuar medidas de valor de pico, medio y eficaz de tensión en la carga y en el secundario del transformar. Recordar que para carga resistiva y rectificar de media onda obtenemos los siguientes resultas teóricos, nde V m es el valor de pico: Vm Valor medio: π (1) Vm Valor eficaz: d_ eff= () Las medidas podrán hacerse con el osciloscopio o con un multímetro. Aunque la medida con el osciloscopio es más inmediata no es tan precisa, además algunas medidas pueden no ser correctas o no pueden realizarse, así pues es conveniente medir con el multímetro o con el osciloscopio según el tipo de medida. Las medidas con el multímetro solo serán correctas si se utiliza un instrumento true RMS. Hay que tener en cuenta que cada medida debe realizarse seleccionan las opciones adecuadas. Concretamente hay que acoplar el instrumento en dc, ac+dc o ac según la medida a efectuar. Medir con el osciloscopio el valor de pico de la tensión sobre la carga y a partir de este valor calcular, con las expresiones que se han da, los valores medio, eficaz, y RMS_AC. Anotarlos en la tabla. Tensión de pico Valor medio ( ) Valor eficaz ( d_eff ) Valor RMS_ac Medir con el multímetro y anotar en la tabla. Valor medio ( ) (DMM en V ) Valor eficaz ( d_eff ) (DMM en ; True-RMS) Valor RMS_ac (DMM en ) Comparar valores teóricos y experimentales y comprobar que se cumple la expresión: RMS _ ac = d, eff Medir con el multímetro el valor medio de la tensión en el secundario del transformar, (<V sec >) y el valor eficaz (V sec_eff ). Valor medio (<V sec >) Valor eficaz (V sec_eff ) niversitat de Valencia Curso 08/09 4
Cuál es el valor medio espera para la tensión en el secundario del transformar? Es entonces coherente la medida efectuada? Explicar las posibles divergencias (tener en cuenta que el transformar de red está forma por un gran número de vueltas, lo que implica una gran resistencia en serie, tanto en primario como en secundario). Concretamente un posible modelo del transformar con los elementos necesarios a tener en cuenta puede ser. Conclusiones: Visualizar la forma de onda de la tensión en el secundario del transformar. Es el mismo el valor de pico de la tensión para los semiperios positivos y para los negativos? Es el resulta coherente con las conclusiones del aparta anterior? 6. Medidas experimentales de los parámetros de rendimiento del rectificar de la figura 1a, toman una carga resistiva de 31.3 Ω. Las medidas de corriente se efectuarán sabien la tensión sobre la carga y el valor resistivo de ésta. I P dc d,eff I d,eff V rms-ac P ac η I d_rms_ac f f r 7. Efectuar ahora diferentes medidas pero cambian la resistencia de carga. La carga será ahora de 1kΩ. Tensión de pico sobre la carga: Tensión de pico niversitat de Valencia Curso 08/09 5
Es ahora diferente la tensión de pico sobre la carga respecto al caso con R = 31.3 Ω? En caso afirmativo, A que s factores principales puede ser debi? Medir con el multímetro el valor medio de la tensión en el secundario del transformar, (<V sec >) y el valor (V sec_eff ). Valor medio (<V sec >) Valor eficaz (V sec_eff ) Ha cambia el valor medio de la tensión en el secundario del transformar? Porqué se produce este cambio respecto al caso R = 31.3 Ω? 8. Rectificar monofásico de media onda con carga RL. Como carga inductiva se toma el secundario de un pequeño transformar de red, cuya inductancia magnetizante es de 6 mh y la resistencia de 5.5 Ω a la frecuencia de 100 Hz (medida tomada con el analizar de impedancias). La parte resistiva de la carga será: Resistencia bobinada de 31.3 Ω (Realmente si debieran hacerse cálculos precisos hay que sumarle la introducida por el bobina de la inductancia de carga). Visualizar la tensión en bornes de la bobina, la corriente por el dio rectificar y la tensión ánocáto del dio rectificar. CH1: V L = V K (dio) - V R Escala:... B.T.:... CH1: V AK (dio) Escala:... B.T.:... CH: I L Escala:... CH: I Dio Escala:... niversitat de Valencia Curso 08/09 6
CH1: d Escala:... B.T.:... CH: I d Escala:... Explicar el efecto de la carga inductiva en la forma de onda de la tensión de salida. Medir con el osciloscopio el valor de pico y con el multímetro los valores medio y eficaz de la tensión sobre la carga. A partir de la forma de onda realizar una medida del ángulo de extinción de la corriente. Anotar los resultas en tabla adjunta. Rectificar monofásico con carga inductiva Valor de pico Valor medio Valor eficaz Ángulo de extinción de corriente Tensión en la carga (V) Experimental Realizar una comparación con los resultas obtenis anteriormente con carga resistiva. Explicar posibles divergencias. niversitat de Valencia Curso 08/09 7
9. Tomar ahora como carga inductiva el primario del transformar de red ( L 8.7 H & Rs = 851 Ω @ 100 Hz, medi en el analizar de red). Observar como el ángulo de extinción de corriente ha aumenta considerablemente, debi al incremento en la constante de tiempo de la carga τ = L, acercánse a Rs T. En el caso en que τ = L fuese mayor de T la corriente de carga no llegaría a anularse y Rs estaríamos en un mo de funcionamiento continuo. Da el bajo valor de la corriente de carga, no es posible realizar su medida con la sonda de corriente DC. En su lugar se medirá la tensión V R entre extremos de la resistencia de 31.3 Ω en serie con la inductancia de carga sien I d = V R / 31.3 Ω. CH1: d Escala:... B.T.:... CH: V R Escala:... 10. na vez analiza el montaje anterior, repetir los apartas con carga RL y L=6mH añadien un dio volante en paralelo con la carga, tal como indica la figura. Observar las formas de onda de tensión sobre la carga d. Pueden aparecer tres tramos diferencias, o sólo los s primeros de la lista siguiente: V m sen( wt) 0 < wt < π vd = VAK (dio volante) π < wt < Φ ext. 0 Φ ext < wt < π CH1: V L = V K (dios) - V R Escala:... B.T.:... CH1: d Escala:... B.T.:... CH: I carga Escala:... CH: I carga Escala:... niversitat de Valencia Curso 08/09 8
Vien la tensión sobre la carga cuidasamente, aparece el tercer tramos nde d = 0? Cómo opera el rectificar en mo continuo o discontinuo? Medir con el osciloscopio el valor de pico y con el multímetro los valores eficaz y medio de la tensión en la carga. Comentar la diferencia que aparece en el valor medio respecto al caso en que no había dio volante. Tensión en la carga (V) Con dio volante Valor de pico Valor eficaz Valor medio Comentarios: 11. Justificar mediante la expresión adecuada la relación entre la tensión y la corriente por la bobina. Que tensión soporta la bobina cuan la corriente por ella es la máxima? Justificarlo. 1. Dibujar la corriente por la carga y la corriente por el dio rectificar y volante y comparar con la corriente de carga del aparta 8. Comentarios CH1: I d Escala:... B.T.:... CH1: I dio rectificar Escala:... B.T.:... CH: I dio volante Escala:... niversitat de Valencia Curso 08/09 9
Cuestiones adicionales: Cuál es la misión del dio volante? Cuán la carga devuelve energía a la fuente, cuan está el dio volante o cuan no está? Las s figuras siguientes corresponden a las formas de onda de tensión y corriente que proporciona una fuente de tensión senoidal para s cargas diferentes y de naturaleza desconocida. Se asume que el pico de corriente es prácticamente el mismo en los s casos (la corriente corresponde a la onda desfasada) Figura A Figura B En que caso la fuente de tensión senoidal proporciona más potencia a la carga y porqué? niversitat de Valencia Curso 08/09 10
CONECTOR J1: TERMINALES DE LA CARGA RL CONECTOR J: Posición 1: carga R S S3 S4 S5 CARGA ON ON ON ON R = 3.6 Ω ON ON OFF ON R = 31.3 Ω ON ON ON OFF R = 47. Ω ON ON OFF OFF R = 94 Ω ON OFF ON ON R = 1kΩ OFF Circuito abierto Posición : carga RL S S3 S4 S5 CARGA OFF ON OFF ON L + L3= 6mH @ 5.5Ω a 100Hz y R = 31.3 Ω ON ON OFF ON L1 = 8.7H @851Ω a 100Hz y R = 31.3 Ω Posición 3: carga RL S S3 S4 S5 CARGA OFF ON OFF ON L3 = 55mH @7.5Ω a 100Hz y R = 31.3 Ω ON - - - Circuito abierto niversitat de Valencia Curso 08/09 11