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    E. T. S I. INDUSTRIALES DE MADRID U. P. M.

    DEPARTAMENTO DE AUTOMTICA INGENIERA ELECTRNICAE INFORMTICA INDUSTRIAL

    DIVISIN DE INGENIERA ELECTRNICA

    PRCTICAS DE LABORATORIO

    1

    RECTIFICACION CONTROLADA

    PEDRO HERRANZ BALCZAR

    OCTUBRE 2010

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    RECTIFICACION CONTROLADA

    E T S I I D I E PEDRO HERRANZ BALCAZAR 1

    1.-INTRODUCCION.

    En un elevado nmero de aplicaciones industriales, resulta necesario suministrar energa elctrica cuya

    potencia entregada a una carga sea fcilmente modificable. Esto es comn en los casos de cargadores de bateras,

    variadores de velocidad de motores, excitacin de mquinas sncronas, etc.

    Con el fin de controlar la potencia entregada a la carga en los circuitos rectificadores, se utilizan

    rectificadores controlados de silicio (SCR)en lugar de los tpicos diodos rectificadores.

    El control se lleva a cabo retrasando la entrada en conduccin de estos dispositivos en un ngulo a partir

    del instante en que la tensin nodo-ctodo se hace positiva; este ngulo se denomina ngulo de control o

    ngulo de retardo en el disparo.

    Pueden diferenciarse dos tipos de rectificadores controlados; aquellos formados exclusivamente por

    tiristores conocidos como Rectificadores Totalmente Controlados, y los que incorporan diodos y tiristores llamados

    Rectificadores Semicontrolados.

    En esta prctica se pretende el estudio de la rectificacin monofsica controlada comprobando el

    funcionamiento y las caractersticas de dos circuitos rectificadores de estructura puente:

    - Rectificador totalmente controlado monofsico.

    -Rectificador semicontrolado monofsico.

    Con su estudio se pretenden comprobar las diferencias entre las tensiones de salida y las caractersticas de

    regulacin de estos dos tipos de rectificadores. Por otro lado se quiere observar la influencia del tipo de cargasobre

    los valores de tensin y corriente de salida.

    Adems para conseguir un correcto funcionamiento de estos rectificadores, es necesario abordar el diseo

    de un circuito de mandoapto para controlar adecuadamente el ngulo de retardo en el disparo de los tiristores que

    conforman el rectificador controlado.

    2.- DESCRIPCION DEL CIRCUITO DE POTENCIA.

    2.1.- Rectificador totalmente controlado.

    El circuito rectificador est formado por cuatro tiristores T1, T2, T3 y T4 dispuestos en una estructura

    monofsica puente, tal como se ve en la figura 1; la impedancia de carga puede ser de tipo inductivo, resistivo o

    combinacin de ambas, pero parael estudio terico se supondrla presencia de una inductancia en la carga lo

    suficientemente elevada como para garantizar que la corriente de carga no se hace discontinua en ningn

    momento; la conduccin de corriente a travs de sta no se establecer en tanto no se disparen adecuadamente los

    tiristores. La secuencia de disparo correcta es la que permite que conduzcan a la vez los tiristores T1y T2durante un

    semiciclo, y los tiristores T3y T4durante el siguiente semiciclo.

    Debido a la presencia de la inductancia en la carga, la conduccin de corriente a travs de los

    tiristores se prolonga mas all del paso por cero de la tensin de alimentacin, obtenindose como

    consecuencia una tensin a la salida con una porcin del semiciclo negativo.

    En la figura 1 pueden observarse las formas de onda de la tensin y corriente en la carga, corriente en los

    tiristores, tensin en extremos del tiristor T1y los impulsos de disparo proporcionados por el circuito de control.

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    Fig. 1.- Rectificador monofsico totalmente controlado.

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    El valor de la tensin media Umedque se obtiene en la salida del rectificador, supuesto que la corriente en la carga

    no se interrumpecomo sucede en la figura 1, tiene como expresin:

    donde Umaxes el valor de pico de la tensin del secundario del transformador de alimentacin, y el ngulo de retardo

    en el disparo de los tiristores. Por otro lado, en esta ecuacin no estn incluidas las cadas de tensin en los tiristores

    y en la resistencia del bobinado del transformador, conexionado del circuito, etc.

    2.2.- Rectificador semicontrolado

    La figura 2 muestra un rectificador semicontrolado de estructura puente. Si se compara este circuito con el

    anterior, se observa que se han sustituido dos tiristores (T4y T2) por dos diodos (D4y D2).

    En este circuito los tiristores entran en conduccin cuando les llega un impulso de disparo con un ngulo

    de retardo, mientras que los diodos conmutan cuando la tensin nodo-ctodo se hace positiva. La tensin en la

    carga nunca es negativa y alcanza el valor cero para = 180.

    La presencia del diodo de libre circulacin evita que la tensin de salida sea negativa, aunque esto mismo

    sucedera sin la presencia de dicho diodo. Esto es as ya que despus del paso por cero de la tensin de red y antes

    que el tiristor T3 se dispare, el tiristor T1 contina conduciendo (debido a la carga inductiva), producindose una

    transferencia de la corriente de retorno desde el diodo D2al D4proporcionando as un camino de libre circulacin para

    la corriente de carga. En estas circunstancias, el valor de la corriente is suministrada por el secundario del

    transformador es nulo.

    El diodo de libre circulacin supone un camino preferente para la corriente de carga, que circular por ste

    antes que por la rama formada por un SCR en serie con un diodo.

    Si se compara con el rectificador controlado, el semicontrolado resulta ms barato, pero la corriente alterna

    en el secundario del transformador is est ms distorsionada debido a los periodos de valor nulo; por otra parte el

    puente semicontrolado no puede trabajar en modo de inversin.

    cosmaxU2

    =Umed

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    Fig. 2.- Rectificador monofsico semicontrolado.

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    3.- DESCRIPCION DEL CIRCUITO DE CONTROL

    La figura 3 muestra el esquema elctrico del circuito de control de disparo de los tiristores, que utiliza el

    circuito integrado UAA146 de Telefunken como componente principal.

    El circuito de control debe generar los impulsos necesarios para disparar los tiristores T1yT2en el mismo

    instante, con un desfase de 180 respecto de los impulsos de disparo de los tiristores T3 y T4 para el puente

    totalmente controlado, con una frecuencia igual a la de la seal que se desea rectificar (50Hz) y sincronizados con

    sta. En el caso del puente semicontrolado solamente es preciso generar los impulsos de disparo de los tiristores T1y

    T3con un desfase de 180 y frecuencia de 50Hz.

    El funcionamiento del circuito integrado UAA146, base del circuito de control, puede explicarse con ayuda

    del esquema de bloques de la figura 4. Este consta de una etapa de sincronizacin, un generador de rampa, un

    comparador de tensin, un generador de pulsos, una etapa de seleccin de canaly dos amplificadores de

    salida.

    Fig. 3.- Circuito de control.

    Rp

    Cs

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    El esquema elctrico del circuito integrado se muestra en la figura 5.

    Fig. 4.- Diagrama de bloques del C.I. UAA146.

    Fig. 5.- Esquema elctrico interno del C.I. UAA146.

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    Etapa de sincronizacin

    El pin nmero 9 del circuito integrado se conecta mediante un divisor de tensin a la lnea de alimentacin

    de corriente alterna. En esta etapa de sincronizacin se genera un pulso de sincronismo en cada paso por cero de la

    tensin alterna; la duracin del pulso depende del valor de la resistencia R p. Adems de generar pulsos en cada paso

    por cero, esta etapa tiene tambin como misin el generar las seales de bloqueo que se precisan en la etapa de

    seleccin de canal.

    Generador de rampa

    El transistor T7 del circuito integrado amplifica los pulsos de sincronismo generados en la etapa anterior.

    Durante el proceso de sincronismo el condensador CS, conectado al pin n 7 se carga hasta la tensin zener del diodo

    Z4, aproximadamente 8,5 V, siendo el tiempo de carga inferior a la duracin del pulso de sincronismo. El condensador

    se descarga a travs de la resistencia RSdurante cada semiciclo. La tensin de descarga est fijada por la tensin

    zener del diodo Z3. Para asegurar una forma de onda en rampa se permite descender la tensin hasta un valor de 0,7

    CSRS. En la figura 6 puede verse el montaje fsico de la tarjeta de control.

    Fig. 6.- Tarjeta del circuito de control.

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    Comparador y memoria

    En esta etapa, se comparan la seal en rampa y la tensin V

    que controla el valor del ngulo de retardo

    en el disparo conectada al pin n 8. El comparador bascula siempre que el valor instantneo de la rampa iguala al

    valor de V

    ; entonces enva una seal de SET a la memoria del circuito y ordena el disparo de un tiristor. El diseo del

    circuito es tal que el contenido de la memoria se borra solamente durante los pulsos de sincronismo. La seal RESET

    anula siempre la seal SET, esto impide de una forma efectiva que se generen pulsos adicionales en las salidas.

    Generador de pulsos

    La seal de SET para la memoria dispara tambin un multivibrador monoestable; la duracin del pulso

    suministrado por el monoestable est determinada por los valores de los componentes Cty Rtconectados a los pines

    nmeros 2 y 11 respectivamente.

    Selector de canal y amplificador de salida

    Fig. 7.- Seales en los pines del C.I. UAA146.

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    Las seales que proceden del generador de pulsos se aplican a las bases de los transistores de salida T19y

    T20 a travs de puertas OR que se controlan con las seales de bloqueo generadas en la etapa de sincronismo.

    Durante el semiciclo positivo de la tensin de red no se aplica ninguna seal al transistor T19 desde la etapa de

    sincronizacin, de esta manera se obtiene un pulso de salida en el pin 14 al no conducir este transistor; durante el

    semiciclo negativo sucede lo mismo con el transistor T20 obtenindose un pulso de salida en el pin 10 del circuito

    integrado desfasado 180 respecto del anterior.

    Etapa final de amplificacin

    Los transistores T1y T2del circuito de control de la figura 3, amplifican los pulsos de salida de los pines 10 y

    14 del circuito integrado. Esto permite suministrar una corriente adecuada a los circuitos de aislamiento y disparo de

    los tiristores del circuito de potencia.

    La figura 7 muestra las formas de onda de tensin que pueden observarse en varios puntos del circuito

    integrado. Todas las seales estn dibujadas tomando como referencia de tiempos la seal de sincronismo mostrada

    en parte superior de la figura.

    4.- DESCRIPCION DEL CIRCUITO DE AISLAMIENTO

    Es prctica habitual procurar que exista una separacin elctrica entre los ci rcuitos de control y los

    de potencia. Esta separacin o aislamiento es necesaria en este caso puesto que los ctodos de los distintos

    tiristores no estn conectados a un punto comn de referencia. En esta prctica se utilizan fotoacopladores MCT2

    para realizar este aislamiento.

    El mdulo de aislamiento aloja cuatro fuentes de alimentacin independiente destinada cada una al disparo

    de un tiristor. La tensin de cada fuente se aplica entre los terminales de puerta (G) y ctodo (K) de cada tiristor a

    travs de un transistor, que funciona como interruptor en serie, T 1 en la figura 8, y cuya conduccin depende del

    estado de corte o saturacin del fototransistor conectado a su base.

    El diodo emisor de dicho foto acoplador recibe un pulso de tensin que procede de una de las salidas del

    circuito de control y excita por medio de fotones al transistor foto acoplado; la conduccin de ste provoca la

    saturacin del transistor serie T1y como consecuencia la tensin de la fuente aparece en los terminales de salida

    provocando el disparo del tiristor correspondiente.

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    Fig. 8b.- Tarjeta con cuatro unidades de aislamiento.

    5.- REALIZACION PRCTICA

    Para la realizacin de la prctica en cada puesto de trabajo se dispone de:

    - Placa del transformador reductor de tensin 220V/15V, figura 9.

    - Placa del circuito de control para generar los impulsos de los disparos de los tiristores, figura 6.

    - Placa del puente rectificador monofsico totalmente controlado, figura 12.

    - Placa del puente rectificador monofsico semicontrolado, figura 15.

    - Placa de circuitos de aislamiento para los impulsos de disparo de los tiristores, figura 8b.

    Fig. 8.- Unidad de aislamiento.

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    Fig. 9.- Placa del transformador reductor de tensin.

    - Resistencia y bobina de carga, figuras 10 y 10b.

    - Fuente de alimentacin simtrica de 15V/1A.

    - Osciloscopio de dos canales OD-416.

    - Polmetro y cables de conexin.

    Fig. 10.- Resistencia de carga de 90 .

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    Fig. 10b.- Inductancia de 150 mH.

    El transformador se alimenta de la red de 220V y proporciona tensin alterna reducida al puente rectificador.

    A la salida del puente rectificador se conecta la carga, que puede ser resistiva pura, inductiva pura o resistivo-

    inductiva.

    El circuito de control se alimenta con una tensin de continua simtrica de 15 V; recibe la seal de

    sincronismo desde el secundario del transformador reductor y enva las seales de disparo a los tiristores a travs de

    los circuitos de aislamiento. La salida de cada circuito de aislamiento se conecta al circuito puerta-ctodo de cada

    tiristor.

    Es necesario disparar a la vez las parejas de tiristores T1 - T2 y T3 - T4 del puente controlado y con un

    desfase de 180 entre una pareja y otra. Los tiristores T 1y T3del puente semicrontrolado se gobiernan con impulsos

    de disparo desfasados 180.

    6.- EJERCICIOS A REALIZAR

    6.1.- Rectificador totalmente controlado

    1.- Seleccionar el modo de funcionamiento simtrico (TRACK) en la fuente de alimentacin de corriente

    continua FAC-662B y ajustar la tensin de salida a 15 V.

    2.- Suministrar la tensin de continua de 15 V a la tarjeta de control y conectar la salida del transformador

    reductor a la entrada de sincronismo de la tarjeta de control tal como se ve en la figura 11.

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    3.- Conectar la salida del transformador reductor a la entrada de la tarjeta del rectificador totalmente controlado,

    figura 12, y a su salida una carga puramente resistiva de 90 .

    4.- Llevar los impulsos generados por la tarjeta de control a la placa de aislamiento conectando las salidas de

    sta a los circuitos puerta-ctodo de los tiristores del rectificador totalmente controlado segn el esquema de

    la figura 13.

    5.- Observar la forma de onda de la tensin de salida del rectificador controlado para diferentes ngulos de

    disparo; dibjese para los valores de igual a 60, 90, 120 y 150. Se medir para cada valor de el

    valor de la tensin media rectificadaUmedutilizando un medidor de corriente continua.

    Fig. 11.- Conexionado externo de la placa de control.

    Fig. 12.- Placa del rectificador totalmente controlado.

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    6.- Conectar una carga R-Lformada por una resistencia de 90 y una bobina de 150 mH conectadas en serie

    a la salida del rectificador controlado; dibujar las formas de onda de la tensin e intensidad en la carga para

    los mismos valores del ngulo disparo que en el apartado anterior midiendo el valor de la tensin media.

    Se medir el ngulo para el que la intensidad a travs de la carga se hace discontinua.

    Fig. 14.- Formas de onda de tensin y corriente en la carga R-L.

    Fig. 13.- Esquema de montaje del rectificador controlado.

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    6.2.- Rectificador semicontrolado

    1.- Sustituir el puente totalmente controlado por el semicontrolado (figuras 15a y 15b) y repetir las medidas de

    tensin en la carga anteriores para carga R-L y dibujar la formas de onda de tensin e intensidad (figura

    16).

    Fig. 15b.- Esquema de montaje del rectificador semicontrolado.

    Fig. 15a.- Placa del rectificador semicontrolado.

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    Fig. 16.- Formas de onda de tensin y corr iente con carga R-L.

    2.- Observar en el osciloscopio la corriente por la carga y deduciry dibujarla forma de onda de la corriente

    que pasa por eldiodo de libre circulacin; recuerde que dicho diodo conduce la corriente de carga en los

    instantes en que el valor de la tensin de salida es cero o ligeramente negativa (-1v aprox.).

    6.3.- Circuito de control

    1.- Observar las formas de onda obtenidas en los puntos de prueba de la tarjeta de control que corresponden a

    los siguientes pines del circuito integrado:

    Punto Seal

    9 Seal de sincronismo

    16 Pulso de sincronismo

    7 Tensin en rampa

    2 Formacin pulso seal control

    Adems de las anteriores observar latensin V

    entre el cursor del potencimetro de control y el punto de

    0v y los pulsos de salidaentre los bornes rojos de salida de la placa y el borne negro de 0v.

    2.- Rellene la memoria de la prctica con los datos obtenidos, desconecte el circuito y recoja la mesa de

    trabajo.