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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO - CHILE
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ANÁLISIS DE DISTORSIÓN ARMÓNICA GENERADA POR LOS
RECTIFICADORES Y POR LOS GRADUADORES DE TENSIÓN CON
ELEMENTOS INDUCTIVOS EN SERIE CON LOS SEMICONDUCTORES.
CARLOS ANDRÉS CAMPOS ENCALADA
Mayo 2007
INFORME FINAL DE PROYECTO
PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO DE
LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL
TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO
CIVIL ELÉCTRICO.
ANÁLISIS DE DISTORSIÓN ARMÓNICA GENERADA POR LOS
RECTIFICADORES Y POR LOS GRADUADORES DE TENSIÓN CON
ELEMENTOS INDUCTIVOS EN SERIE CON LOS SEMICONDUCTORES
INFORME FINAL
Presentado en cumplimiento de los requisitos
para optar al título profesional de
Ingeniero Civil Eléctrico
otorgado por la
Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la
Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
Carlos Andrés Campos Encalada
Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz Caballero.
Profesor Correferente Sr. René Sanhueza Robles.
Mayo 2007
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ACTA DE APROBACIÓN
La Comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingeniería Eléctrica, ha aprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulación, desarrollado entre el segundo semestre 2005 y primer semestre 2006, y denominado:
ANÁLISIS DE DISTORSIÓN ARMÓNICA GENERADA POR LOS
RECTIFICADORES Y POR LOS GRADUADORES DE TENSIÓN CON
ELEMENTOS INDUCTIVOS EN SERIE CON LOS SEMICONDUCTORES
Presentado por el Señor
CARLOS ANDRÉS CAMPOS ENCALADA
DOMINGO RUIZ CABALLERO Profesor Guía
RENÉ SANHUEZA ROBLES
Segundo Revisor
RAIMUNDO VILLARROEL VALENCIA Secretario Académico
Valparaíso, Mayo 2007
Le agradezco a Dios, a mis padres y mis
hermanas, por el apoyo entregado a lo
largo de mi vida.
A mis compañeros y amigos que me han
ayudado en el transcurso de mi carrera.
A mi profesor guía por su respaldo y a
todos quienes de alguna manera han
colaborado en esta difícil, pero hermosa
etapa de la vida.
Les dedico este trabajo con mucho cariño
a mis abuelos, en especial a aquel que
nos dejó. Y por supuesto a la mujer que
ocupa mi corazón, Yenifer.
ANÁLISIS DE DISTORSIÓN ARMÓNICA GENERADA POR LOS
RECTIFICADORES Y POR LOS GRADUADORES DE TENSIÓN CON
ELEMENTOS INDUCTIVOS EN SERIE CON LOS SEMICONDUCTORES
Carlos Andrés Campos Encalada
Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz Caballero
RESUMEN
El presente trabajo de titulación, analiza la distorsión armónica total que
generan los rectificadores monofásicos y el graduador de tensión con control por
fase, cuando se le incluye un inductor en serie con los semiconductores.
Se propondrá la ecuación que determina el valor óptimo de la inductancia
adicional, para que el circuito inyecte una menor contaminación armónica.
Se darán a conocer las distorsiones armónicas totales y las tensiones de
salida de los circuitos convencionales, ya sea rectificadores monofásicos y
graduadores de tensión. Además se compararán y analizarán los resultados
obtenidos, de los circuitos convencionales y de los circuitos propuestos.
Por simulación y experimentación, se mostrarán las principales formas de
onda, así como las etapas de operación de los circuitos propuestos.
Para finalizar, se explicará y mostrará la construcción del circuito
graduador de tensión con control por fases. Se toman las mediciones de la
distorsión armónica con el equipo SAMTE y se comparan con los valores
obtenidos en las simulaciones.
ÍNDICE
Pág.
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO 1
PROBLEMATICA DE LOS CIRCUITOS BASADOS EN TIRISTORES 2
1.1 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA
CONTROLADO
4
1.1.1 Carga resistiva pura 4
1.1.2 Carga resistiva inductiva 8
1.2 GRADUADOR DE TENSIÓN CON CONTROL POR FASE 11
1.2.1 Carga resistiva pura 12
1.2.2 Carga resistiva inductiva 15
CAPÍTULO 2
CIRCUITO RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA
CONTROLADO PROPUESTO
19
2.1 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA
CONTROLADO CON CARGA RESISTIVA PURA
22
2.2 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA
CONTROLADO CON CARGA RESISTIVA INDUCTIVA
34
CAPÍTULO 3
CIRCUITO GRADUADOR DE TENSIÓN CON CONTROL POR FASE
PROPUESTO.
47
3.1 GRADUADOR DE TENSIÓN CON CARGA RESISTIVA PURA 49
3.2 GRADUADOR DE TENSIÓN CON CARGA RESISTIVA
INDUCTIVA
60
CAPÍTULO 4
ESTUDIO TEÓRICO DE LAS SEÑALES DE LOS CIRCUITOS
PROPUESTOS
72
4.1 CIRCUITO RECTIFICADOR CONTROLADO PROPUESTO CON
CARGA RESISTIVA PURA
76
4.2 CIRCUITO GRADUADOR DE TENSIÓN PROPUESTO CON
CARGA RESISTIVA PURA
81
CAPÍTULO 5
COMPROBACIÓN EXPERIMENTAL 86
5.1 CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL 86
5.2 CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA PROPUESTO 91
CONCLUSIONES 100
BIBLIOGRAFÍA 103
APÉNDICE A
Hoja de datos del circuito integrado TCA 785 A-1
APÉNDICE B
Hoja de datos del optoacoplador TLP3042 B-1
APÉNDICE C
Método de impresión de circuitos mediante el papel Couche C-1
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1-1 Circuito rectificador monofásico controlado 4
Figura 1-2 Tensión de salida del rectificador controlado convencional
con carga resistiva pura
5
Figura 1-3 Corriente en la fuente de alimentación del rectificador
convencional con carga resistiva pura
5
Figura 1-4 Espectro armónico de la corriente de alimentación del
rectificador convencional con carga resistiva pura
6
Figura 1-5 Tensión de Salida del rectificador convencional con carga RL 8
Figura 1-6 Corriente en la fuente de alimentación del rectificador
convencional con carga RL
9
Figura 1-7 Espectro armónico de la corriente de alimentación del
rectificador convencional con carga RL
9
Figura 1-8 Circuito graduador de tensión convencional 12
Figura 1-9 Tensión de salida del graduador convencional con carga
resistiva
12
Figura 1-10 Corriente de entrada del graduador convencional con carga
resistiva
13
Figura 1-11 Espectro armónico de la corriente de entrada del graduador
convencional con carga resistiva
13
Figura 1-12 Tensión de Salida del graduador convencional con carga RL 15
Figura 1-13 Corriente en la fuente de alimentación del graduador con
carga RL
16
Figura 1-14 Espectro armónico de la corriente de entrada del graduador
con carga RL
17
Figura 2-1 Circuito rectificador monofásico controlado de onda completa
propuesto
19
Figura 2-2 Tensión de salida del rectificador para 11.4 (Ohms) y un 22
disparo de 20º.
Figura 2-3 Corriente de entrada del rectificador para 11.4 (Ohms) y un
disparo de 20º.
23
Figura 2-4 Espectro armónico de la corriente de entrada del rectificador
para 11.4 (Ohms) y un disparo de 20º.
23
Figura 2-5 Primera etapa de operación para un disparo de 20º 25
Figura 2-6 Segunda etapa de operación para un disparo de 20º 25
Figura 2-7 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4
(Ohms) y un disparo de 10º.
26
Figura 2-8 Corriente de entrada para una resistencia de carga de 11.4
(Ohms) y un disparo de 10º.
26
Figura 2-9 Espectro armónico de la corriente de entrada para una
resistencia de carga de 11.4 (Ohms) y un disparo de 10º.
27
Figura 2-10 Primera etapa de operación para un disparo de 10º 27
Figura 2-11 Segunda etapa de operación para un disparo de 10º 27
Figura 2-12 Tercera etapa de operación para un disparo de 10º 28
Figura 2-13 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4
(Ohms) y un disparo de 60º
29
Figura 2-14 Corriente de entrada para una resistencia de carga de 11.4
(Ohms) y un disparo de 60º.
29
Figura 2-15 Espectro armónico de la corriente de entrada para una
resistencia de carga de 11.4 (Ohms) y un disparo de 60º
30
Figura 2-16 Primera etapa de operación para un disparo de 60º 30
Figura 2-17 Segunda etapa de operación para un disparo de 60º 30
Figura 2-18 Tercera etapa de operación para un disparo de 60º 31
Figura 2-19 Distorsión armónica total para todo disparo del circuito
rectificador propuesto y del convencional, con carga resistiva
pura
33
Figura 2-20 Tensión eficaz de salida para todo disparo del circuito
rectificador propuesto y del convencional, con carga resistiva
33
pura
Figura 2-21 Tensión de salida del rectificador para 11.4 (Ohms), 6(mH) y
un disparo de 20º.
35
Figura 2-22 Corriente de entrada del rectificador para 11.4 (Ohms), 6
(mH) y un disparo de 20º.
35
Figura 2-23 Espectro armónico de la corriente de entrada del rectificador
para 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo de 20º.
36
Figura 2-24 Primera etapa de operación para un disparo de 20º y carga
RL.
37
Figura 2-25 Segunda etapa de operación para un disparo de 20º y carga
RL.
37
Figura 2-26 Tensión de salida para una resistencia de 11.4 (Ohms),
6(mH) y un disparo de 10º.
38
Figura 2-27 Corriente de entrada para una resistencia de 11.4 (Ohms), 6
(mH) y un disparo de 10º.
39
Figura 2-28 Espectro armónico de la corriente de entrada para una
resistencia de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo de 10º.
39
Figura 2-29 Primera etapa de operación para un disparo de 10º y carga
RL.
40
Figura 2-30 Segunda etapa de operación para un disparo de 10º y carga
RL.
40
Figura 2-31 Tercera etapa de operación para un disparo de 10º y carga
RL.
40
Figura 2-32 Tensión de salida para una resistencia de 11.4 (Ohms), 6
(mH) y un disparo de 60º.
41
Figura 2-33 Corriente de entrada para una resistencia de 11.4 (Ohms), 6
(mH) y un disparo de 60º.
42
Figura 2-34 Espectro armónico de la corriente de entrada para una
resistencia de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo de 60º.
42
Figura 2-35 Primera etapa de operación para un disparo de 60º y carga 43
RL.
Figura 2-36 Segunda etapa de operación para un disparo de 60º y carga
RL.
43
Figura 2-37 Tercera etapa de operación para un disparo de 60º y carga
RL.
43
Figura 2-38 Distorsión armónica total para todo disparo del circuito
rectificador propuesto y del convencional con carga RL.
46
Figura 2-39 Tensión eficaz de salida para todo disparo del circuito
rectificador propuesto y del convencional con carga RL.
46
Figura 3-1 Circuito graduador de tensión propuesto. 47
Figura 3-2 Tensión de salida del graduador propuesto para 11.4 (Ohms)
y un disparo de 20º.
49
Figura 3-3 Corriente de entrada del graduador propuesto para 11.4
(Ohms) y un disparo de 20º.
49
Figura 3-4 Espectro armónico de la corriente de entrada del graduador
propuesto para 11.4 (Ohms) y un disparo de 20º.
50
Figura 3-5 Primera etapa de operación para un disparo de 20º 51
Figura 3-6 Segunda etapa de operación para un disparo de 20º 51
Figura 3-7 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4
(Ohms) y un disparo de 10º.
52
Figura 3-8 Corriente de entrada para una resistencia de carga de 11.4
(Ohms) y un disparo de 10º.
52
Figura 3-9 Espectro armónico de la corriente de entrada para una
resistencia de carga de 11.4 (Ohms) y un disparo de 10º.
53
Figura 3-10 Primera etapa de operación para un disparo de 10º 53
Figura 3-11 Segunda etapa de operación para un disparo de 10º 54
Figura 3-12 Tercera etapa de operación para un disparo de 10º 54
Figura 3-13 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4
(Ohms) y un disparo de 60º.
55
Figura 3-14 Corriente de entrada para una resistencia de carga de 11.4 55
(Ohms) y un disparo de 60º.
Figura 3-15 Espectro armónico de la corriente de entrada para una
resistencia de carga de 11.4 (Ohms) y un disparo de 60º.
56
Figura 3-16 Primera etapa de operación para un disparo de 60º 56
Figura 3-17 Segunda etapa de operación para un disparo de 60º 57
Figura 3-18 Tercera etapa de operación para un disparo de 60º 57
Figura 3-19 Distorsión armónica total para todo disparo del circuito
graduador propuesto y del convencional, con carga resistiva
pura.
59
Figura 3-20 Tensión eficaz de salida para todo disparo del circuito
graduador propuesto y del convencional, con carga resistiva
pura.
59
Figura 3-21 Tensión de salida del graduador para 11.4 (Ohms), 6 (mH) y
20º.
60
Figura 3-22 Corriente de entrada del graduador para 11.4 (Ohms), 6(mH)
y 20º.
60
Figura 3-23 Espectro armónico de la corriente de entrada del rectificador
para 11.4 (Ohms), 6 (mH) y 20º.
61
Figura 3-24 Primera etapa de operación para un disparo de 20º y carga
RL
62
Figura 3-25 Segunda etapa de operación para un disparo de 20º y carga
RL.
63
Figura 3-26 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4
(Ohms), 6 (mH) y un disparo de 10º.
63
Figura 3-27 Corriente de entrada para una resistencia de carga de 11.4
(Ohms), 6 (mH) y un disparo de 10º.
64
Figura 3-28 Espectro armónico de la corriente de entrada para una
resistencia de carga de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo de
10º.
64
Figura 3-29 Primera etapa de operación para un disparo de 10º y carga 65
RL.
Figura 3-30 Segunda etapa de operación para un disparo de 10º y carga
RL.
65
Figura 3-31 Tercera etapa de operación para un disparo de 10º y carga
RL.
66
Figura 3-32 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4
(Ohms), 6 (mH) y un disparo de 60º.
66
Figura 3-33 Corriente de entrada para una carga de 11.4 (Ohms), 6 (mH)
y un disparo de 60º.
67
Figura 3-34 Espectro armónico de la corriente de entrada para una carga
de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo de 60º.
67
Figura 3-35 Primera etapa de operación para un disparo de 60º y carga
RL.
68
Figura 3-36 Segunda etapa de operación para un disparo de 60º y carga
RL.
68
Figura 3-37 Tercera etapa de operación para un disparo de 60º y carga
RL
69
Figura 3-38 Distorsión armónica total para todo disparo del circuito
graduador propuesto y del convencional, con carga resistiva
inductiva
71
Figura 3-39 Tensión eficaz de salida para todo disparo del circuito
graduador propuesto y del convencional, con carga resistiva
inductiva.
71
Figura 4-1 Angulo de extinción de corriente en función del disparo 75
Figura 4-2 Tercera armónica de la corriente de entrada del circuito
rectificador
76
Figura 4-3 Quinta armónica de la corriente de entrada del circuito
rectificador
76
Figura 4-4 Séptima armónica de la corriente de entrada del circuito
rectificador
77
Figura 4-5 Novena armónica de la corriente de entrada del circuito
rectificador
77
Figura 4-6 Error porcentual entre las gráficas realizadas por MathCad y
por P-Spice, para el rectificador controlado.
78
Figura 4-7 Tercera armónica del rectificador propuesto para varios
grados de carga
79
Figura 4-8 Quinta armónica del rectificador propuesto para varios
grados de carga
79
Figura 4-9 Séptima armónica del rectificador propuesto para diferentes
grados de carga.
80
Figura 4-10 Novena armónica del rectificador propuesto para diferentes
grados de carga.
80
Figura 4-11 Tercera armónica de la corriente de entrada del circuito
graduador propuesto
81
Figura 4-12 Quinta armónica de la corriente de entrada del circuito
graduador propuesto
81
Figura 4-13 Séptima armónica de la corriente de entrada del circuito
graduador propuesto
82
Figura 4-14 Novena armónica de la corriente de entrada del circuito
graduador propuesto
82
Figura 4-15 Error porcentual entre las gráficas realizadas por MathCad y
por P-Spice, para el graduador propuesto.
83
Figura 4-16 Tercera armónica del graduador propuesto para diferentes
grados de carga.
84
Figura 4-17 Quinta armónica del graduador propuesto para diferentes
grados de carga
84
Figura 4-18 Séptima armónica del graduador propuesto para diferentes
grados de carga.
85
Figura 4-19 Novena armónica del graduador propuesto para diferentes
grados de carga
85
Figura 5-1 Configuración del optoacoplador para transmitir los pulsos. 87
Figura 5-2 Control para el disparo de dos tiristores para el graduador de
tensión.
88
Figura 5-3 Pulsos de comando para dos tiristores generados por el
circuito integrado TCA 785.
89
Figura 5-4 Tensión de alimentación v/s pulso de disparo para el tiristor
del semiciclo positivo.
90
Figura 5-5 Tensión triangular (pin10) v/s tensión continua (pin11). 90
Figura 5-6 Elementos que componen el circuito de potencia propuesto 91
Figura 5-7 Circuito graduador de tensión con control por fases armado
de manera real.
92
Figura 5-8 Tensión de entrada v/s tensión de salida del graduador
propuesto para un disparo de 20º.
93
Figura 5-9 Distorsión armónica total de la corriente de entrada del
circuito graduador propuesto para un disparo de 20º
93
Figura 5-10 Tensión de entrada v/s tensión de salida del graduador
propuesto para un disparo de 5º
94
Figura 5-11 Distorsión armónica total de la corriente de entrada del
circuito graduador propuesto para un disparo de 5º
94
Figura 5-12 Tensión de entrada v/s tensión de salida del graduador
propuesto para un disparo de 90º
95
Figura 5-13 Distorsión armónica total de la corriente de entrada del
circuito graduador propuesto para un disparo de 90º
95
Figura 5-14 Distorsión armónica total del circuito graduador propuesto
obtenida de manera real y bajo simulación.
96
Figura 5-15 Tensión eficaz de salida del circuito graduador propuesto
obtenida de manera real y bajo simulación.
97
Figura 5-16 Curvas de la tercera armónica obtenidas de una manera
real, mediante simulación y comprobación teórica, para el
circuito graduador propuesto.
97
Figura 5-17 Curvas de la quinta armónica obtenidas de una manera real,
mediante simulación y comprobación teórica, para el circuito
graduador propuesto
98
Figura 5-18 Curvas de la séptima armónica obtenidas de una manera
real, mediante simulación y comprobación teórica, para el
circuito graduador propuesto.
98
Figura 5-19 Curvas de la novena armónica obtenidas de una manera
real, mediante simulación y comprobación teórica, para el
circuito graduador propuesto.
99
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1-1 Componentes armónicas de la corriente de entrada del
circuito rectificador monofásico convencional con carga R y
con un disparo de 20º.
6
Tabla 1-2 Distorsión armónica y tensión de salida del rectificador
convencional con carga resistiva pura, para diferentes
disparos.
7
Tabla 1-3 Componentes armónicas de la corriente de entrada del
circuito rectificador monofásico convencional con carga RL y
20º de disparo.
11
Tabla 1-4 Distorsión armónica total y tensión de salida, del rectificador
convencional con carga resistiva inductiva, para diferentes
disparos.
11
Tabla 1-5 Componentes armónicas de la corriente de alimentación del
circuito graduador convencional con carga resistiva pura y
con un disparo de 20º.
14
Tabla 1-6 Distorsión armónica total y tensión de salida, del graduador
convencional con carga resistiva pura, para diferentes
disparos de los tiristores.
14
Tabla 1-7 Componentes armónicas de la corriente de alimentación del
circuito graduador convencional con carga resistiva inductiva
y con un disparo de 20º.
17
Tabla 1-8 Distorsión armónica y tensión de salida del graduador con
carga RL.
18
Tabla 2-1 Espectro armónico del rectificador controlado para
resistencia de carga de 11.4 Ohms y un disparo 20º.
24
Tabla 2-2 Comparación entre el circuito rectificador convencional y el
circuito rectificador propuesto, para diferentes disparos con
32
carga resistiva pura.
Tabla 2-3 Espectro armónico del rectificador controlado para
resistencia de 11.4 (Ohms), 6(mH) y un disparo 20º.
36
Tabla 2-4 Comparación entre el circuito rectificador convencional y el
circuito rectificador propuesto, para diferentes disparos y
carga RL.
45
Tabla 3-1 Espectro armónico del graduador de tensión para resistencia
de carga de 11.4 Ohms y un disparo 20º.
50
Tabla 3-2 Comparación entre el circuito graduador convencional y el
circuito graduador propuesto, para diferentes disparos y
carga resistiva pura.
58
Tabla 3-3 Espectro armónico del graduador de tensión para una carga
de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo 20º.
62
Tabla 3-4 Comparación entre el circuito graduador convencional y el
circuito graduador propuesto, para diferentes disparos y
carga resistiva inductiva.
70
INTRODUCCIÓN
El objetivo del presente trabajo es realizar un estudio teórico y práctico de
los rectificadores monofásicos y de los graduadores de tensión a los cuales se
les incluye una inductancia en serie a cada semiconductor, analizando su
distorsión armónica y sus tensiones de salida.
En general, no hay una gran preocupación por la distorsión armónica que
generan muchos circuitos, debido a que en Chile no existe una normativa que
regule dicha contaminación.
En países desarrollados, existe una norma que se preocupa de la
contaminación armónica. Es por esto que el enfoque del presente proyecto tiene
como objetivo estudiar un método sencillo, que disminuya la distorsión armónica
de los rectificadores monofásicos y de los graduadores de tensión, como un
pequeño aporte al futuro.
CAPÍTULO 1
PROBLEMÁTICA DE LOS CIRCUITOS BASADOS EN TIRISTORES.
La distorsión armónica total, se refiere a una contaminación que inyectan
las cargas a la red. Esta contaminación consiste en ondas viajeras en el tiempo,
que poseen una frecuencia diferente a la de la alimentación. Como se involucra
la corriente o la tensión en el transcurso del tiempo, se puede hablar de energía
que no es aprovechada por el circuito y por ende energía no procesada.
Esta distorsión armónica, resulta de la comparación de dos señales: para
este caso, la alimentación es una tensión de 110 volts, la cual posee formato de
onda sinusoidal, en una frecuencia de 50 Hertz. Este es nuestro parámetro de
comparación, entonces si se tiene una forma de onda de corriente diferente a la
de tensión, se presenta la distorsión armónica.
Pero qué o quién es el responsable de que una corriente no tenga una
forma de onda sinusoidal. Para responder esta pregunta, primero se debe
estudiar la carga del circuito y luego como se transfiere la energía a dicha carga.
En primer lugar, si se analiza la carga, se debe hablar de los tres tipos de
cargas existentes:
a) Resistiva: Este tipo de carga no genera por sí sola, una distorsión
armónica, ya que por naturaleza, la resistencia disipa toda la energía entregada.
Cuando se tiene una carga resistiva pura, la forma de onda de la corriente es
proporcional a la tensión.
b) Inductiva: Este tipo de carga, por si sola, genera un desplazamiento de
la corriente con respecto a la tensión, en donde, la primera está en atraso con
respecto a la tensión en 90º.
c) Capacitiva: Este tipo de carga, por si sola, genera un desplazamiento
de la corriente con respecto a la tensión, en donde, la primera está en adelanto
con respecto a la tensión en 90º.
3
Como observación, se puede decir que es muy difícil, encontrar una carga
pura, ya sea resistiva, inductiva o capacitiva. Esto se debe, a que tanto los
inductores, como los capacitores, presentan pequeñas resistencias parásitas.
Además los cables, debido a su longitud, poseen inductancias parásitas y
efectos capacitivos.
En segundo lugar, si se analiza la manera de transferir la energía hacia la
carga, se pueden mencionar muchos casos, pero en este trabajo solo se
abocará a los circuitos rectificadores y graduadores, los cuales utilizan
semiconductores controlados, conocidos como tiristores.
Los tiristores son semiconductores parecidos a los diodos, pero tienen la
ventaja de controlar su conducción. Este control, se lleva a cabo por un pulso
conocido como disparo o simplemente control del tiristor.
El tiristor, se utiliza cuando es necesario controlar la energía que se envía
a la carga. Por ejemplo, el circuito graduador de tensión, como su nombre lo
indica, gradúa la tensión que se envía a la carga. Asimismo, el rectificador
controlado también se utiliza para graduar la tensión de salida.
Si se utilizan estos dispositivos semiconductores, se presentan dos
situaciones: La primera es cuando el tiristor no está accionado, entonces el
circuito está abierto y no hay circulación de corriente hacia la carga. La segunda
situación es cuando se acciona el tiristor, comenzando a conducir. Es en este
proceso en que aparece la distorsión armónica, ya que la forma de onda de la
corriente y de la tensión, transmitida hacia la carga, presenta un corte abrupto,
siempre que la carga sea resistiva pura.
Entonces, como una premisa se puede decir que el hecho de incluir una
inductancia en serie a los tiristores, suaviza las formas de onda de salida (tanto
de tensión, como de corriente) y por tanto reduce distorsión armónica de los
circuitos antes mencionados.
A continuación se analizará en profundidad la problemática de los
rectificadores monofásicos controlados y de los circuitos graduadores de tensión
con control por fase.
4
1.1 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA CONTROLADO
Los circuitos rectificadores, tienen como finalidad tomar una señal alterna
y convertirla en una señal continua.
Estos circuitos se pueden clasificar en monofásicos y trifásicos. De los
primeros se desprenden, los totalmente controlados compuestos solo por
tiristores; los mixtos que se componen de diodos y tiristores; y los rectificadores
sin control compuesto solo por diodos.
En el presente proyecto se estudiará solo el rectificador monofásico
controlado, ya que presenta una distorsión armónica mayor que el resto. Se
analizará con carga resistiva pura y con carga resistiva inductiva.
El circuito se compone de cuatro tiristores, de los cuales dos se disparan
en el primer semiciclo y los restantes se disparan en el siguiente semiciclo.
1.1.1 Carga resistiva pura
A modo de ejemplo, las simulaciones mostradas, se realizaran con carga
resistiva de 12 (Ohm) y con un ángulo de disparo ( ) de los tiristores de 20º.
Figura 1-1 Circuito rectificador monofásico controlado
5
Figura 1-2 Tensión de salida del rectificador controlado convencional con carga
resistiva pura.
Figura 1-3 Corriente en la fuente de alimentación del rectificador convencional
con carga resistiva pura.
La tensión de alimentación es rectificada por los semiconductores y
además recortada en 20º (Figura 1-2). Por otra parte, la forma de onda de la
6
corriente de carga es similar a la de tensión. Esta forma de onda se refleja en la
corriente de alimentación pero sin rectificar, como se muestra en la figura 1-3.
Figura 1-4 Espectro armónico de la corriente de alimentación del rectificador
convencional con carga resistiva pura.
Tabla 1-1 Componentes armónicas de la corriente de entrada del circuito
rectificador monofásico convencional con carga R y con un disparo de 20º.
Armónica Frecuencia Componentes Componentes (Nº) (HZ) de Fourier Normalizadas
1 50 1,29E+01 1,00E-00 2 100 5,61E-07 4,43E-08 3 150 5,28E-01 4,17E-02 4 200 4,42E-07 3,49E-08 5 250 4,93E-01 3,89E-02 6 300 1,13E-07 8,95E-09 7 350 4,48E-01 3,53E-02 8 400 4,34E-07 3,42E-08 9 450 3,93E-01 3,10E-02
10 500 2,84E-07 2,24E-08 11 550 3,33E-01 2,62E-02 12 600 1,65E-07 1,30E-08 13 650 2,72E-01 2,14E-02
7
Si el ángulo es aumentado ó variado, la distorsión armónica total
también sufre cambios, al igual que la tensión de salida. Por lo tanto, en la
siguiente tabla se muestran los valores obtenidos con diferentes disparos y
manteniendo el valor de la resistencia de carga.
Tabla 1-2 Distorsión armónica y tensión de salida del rectificador convencional
con carga resistiva pura, para diferentes disparos.
Distorsión Tensión de (Grados) Armónica (%) Salida (Vrms)
10 2,96 109,5 20 8,72 109,1 30 14,49 108,0 40 22,10 106,0 50 28,85 102,8 60 37,39 98,3 70 44,92 92,5 80 54,55 85,5 90 65,07 77,2
Observación:
Tal como se esperaba, a medida que el disparo crece, la distorsión
armónica también lo hace y la tensión efectiva en la carga disminuye. Esto último
se debe a que los tiristores impiden el traspaso de energía hacia la carga,
durante un período muy prolongado.
La distorsión armónica aumenta, ya que al disparar los tiristores en
ángulos cercanos a 180º, la forma de onda de la tensión de salida es solo un
pequeño pulso y como la carga es resistiva pura, la forma de onda de la
corriente es el fiel reflejo de la tensión. Esta forma de onda es idéntica a la
corriente de entrada y la fuente de alimentación es sinusoidal con un valor eficaz
de 110 (V). Ambas formas de onda se deben comparar, para obtener la
distorsión armónica y como son muy diferentes se obtiene una contaminación
más alta.
8
1.1.2 Carga resistiva inductiva
Las simulaciones mostradas a continuación, se realizarán con una
resistencia de carga de 12 (Ohm), una inductancia de carga de 5 (mH) y con un
disparo de los tiristores de 20º.
La tensión de alimentación es rectificada por los semiconductores, pero a
causa de la inductancia de carga, se tiene una tensión negativa. Esto se debe, a
que la inductancia de carga, obliga a los tiristores a seguir conduciendo. Esa
tensión máxima negativa y su duración, solo depende del valor del elemento
activo en la carga.
La forma de onda negativa en la tensión de salida, se explica por el hecho
que el inductor es un elemento que acumula energía. Si la inductancia es
pequeña, no almacena la energía necesaria para obligar a los tiristores a seguir
conduciendo, pero si esa inductancia de carga es lo suficientemente grande, la
energía almacenada obligará a los tiristores a seguir conduciendo. En el
momento en que se termine esa energía, los tiristores dejan de conducir y la
forma de onda de la tensión de salida llega abruptamente a cero.
Figura 1-5 Tensión de Salida del rectificador convencional con carga RL.
9
En la figura 1-6 se observa una pequeña discontinuidad de la corriente,
debido a que se tiene una inductancia de carga grande, observándose también
un desplazamiento de la corriente en el tiempo debido al grado de carga.
Figura 1-6 Corriente en la fuente de alimentación del rectificador convencional
con carga RL.
Figura 1-7 Espectro armónico de la corriente de alimentación del rectificador
convencional con carga RL.
10
Tabla 1-3 Componentes armónicas de la corriente de entrada del circuito
rectificador monofásico convencional con carga RL y 20º de disparo.
Armónica Frecuencia Componentes Componentes (Nº) (Hz) de Fourier Normalizadas
1 50 12,58E+00 1,00E+00 2 100 5,14E-06 4,09E-07 3 150 4,09E-01 3,25E-02 4 200 5,29E-06 4,21E-07 5 250 3,53E-01 2,81E-02 6 300 5,43E-06 4,31E-07 7 350 2,96E-01 2,35E-02 8 400 5,55E-06 4,42E-07 9 450 2,42E-01 1,93E-02
10 500 5,86E-06 4,66E-07 11 550 1,96E-01 1,56E-02 12 600 5,28E-06 4,20E-07 13 650 1,56E-01 1,24E-02
La distorsión armónica total es de un 5,81%, pero al igual que el circuito
rectificador con carga resistiva, al cambiar el ángulo de disparo cambia la
distorsión armónica y la tensión de salida. Por lo tanto para diferentes disparos y
manteniendo los valores de la carga, los resultados son los siguientes:
Tabla 1-4 Distorsión armónica total y tensión de salida, del rectificador
convencional con carga resistiva inductiva, para diferentes disparos.
Distorsión Tensión de (Grados) Armónica (%) Salida (Vrms)
10 1,18 109,6 20 5,81 109,2 30 11,65 108,1 40 18,09 106,0 50 25,03 102,8 60 32,29 98,3 70 40,07 92,5 80 48,11 85,5 90 57,07 77,3
11
Observación:
La distorsión armónica, al igual que el circuito rectificador con carga pura,
sigue una recta con pendiente creciente, lo que era de esperarse ya que las
diferencias entre las formas de onda de corriente y tensión de entrada son muy
diferentes.
Por lo tanto, a medida que el disparo aumenta, la tensión eficaz de salida
y la distorsión armónica total van en aumento, ya sea con carga resistiva pura o
con resistiva inductiva.
1.2 GRADUADOR DE TENSIÓN CON CONTROL POR FASE
Los circuitos graduadores, tienen como finalidad regular la entrega de
energía a la carga, es decir, la señal alterna de alimentación es procesada por
los tiristores en antiparalelo, transfiriendo a la carga una señal alterna recortada.
Los graduadores de tensión se pueden clasificar en dos tipos, según el
tipo de control, dicho de otra manera, se clasifican por como transfieren la
energía a la carga. El primero es el graduador de tensión con control por ciclo, el
cual transfiere solo ciertos ciclos enteros de la alimentación, luego los tiristores
se bloquean y producen un circuito abierto, por lo tanto la carga se queda sin
alimentación. El segundo, es el graduador de tensión con control por fases, el
cual, al igual que el rectificador controlado, en cada ciclo recorta la señal de
alimentación con los tiristores, con el fin de regular la tensión entregada a la
carga.
Ambos circuitos presentan distorsión armónica, pero en el presente
proyecto se abocará solo al graduador de tensión con control por fase. Además,
solo se analizará bajo condición discontinua, la cual es la que presenta distorsión
armónica. Se analizará con carga resistiva pura y con carga resistiva inductiva.
El circuito se compone de dos tiristores, conectados en antiparalelo y cada
uno operando en semiciclos diferentes.
12
Figura 1-8 Circuito graduador de tensión convencional.
1.2.1 Carga resistiva pura
A modo de ejemplo, las simulaciones mostradas se realizaron con carga
resistiva pura de 12 (Ohm) y con un disparo de los tiristores de 20º.
La tensión de salida es una sinusoide recortada por efecto de los tiristores
y como la carga es resistiva pura, la forma de onda de la corriente de salida es
idéntica a la tensión. Además, la corriente de entrada es igual a la de salida.
Figura 1-9 Tensión de salida del graduador convencional con carga resistiva
13
Figura 1-10 Corriente de entrada del graduador convencional con carga resistiva
Figura 1-11 Espectro armónico de la corriente de entrada del graduador
convencional con carga resistiva
La distorsión armónica total es de un 8,66%. Pero si el disparo comienza a
variar, la distorsión armónica total también sufre cambios, al igual que la tensión
de salida. Por lo tanto, en la siguiente tabla se muestran los valores obtenidos
con diferentes disparos y manteniendo el valor de la resistencia de carga.
14
Tabla 1-5 Componentes armónicas de la corriente de alimentación del circuito
graduador convencional con carga resistiva pura y con un disparo de 20º.
Armónica Frecuencia Componentes Componentes (Nº) (HZ) de Fourier Normalizadas
1 50 1,28E+01 1,00E-00 2 100 4,54E-07 3,56E-08 3 150 5,22E-01 4,08E-02 4 200 2,55E-07 2,00E-08 5 250 4,90E-01 3,84E-02 6 300 2,49E-07 1,95E-08 7 350 4,47E-01 3,50E-02 8 400 4,57E-07 3,58E-08 9 450 3,94E-01 3,09E-02
10 500 3,64E-07 2,85E-08 11 550 3,36E-01 2,63E-02 12 600 2,33E-07 1,83E-08 13 650 2,77E-01 2,17E-02
Tabla 1-6 Distorsión armónica total y tensión de salida, del graduador
convencional con carga resistiva pura, para diferentes disparos de los tiristores.
Distorsión Tensión de (Grados) Armónica (%) Salida (Vrms)
10 2,89 110,5 20 8,66 110,0 30 14,41 108,9 40 21,99 106,8 50 28,72 103,6 60 37,24 99,1 70 44,74 93,2 80 54,35 86,2 90 64,83 77,9
Observación:
Al igual que en el rectificador monofásico controlado, con carga resistiva
pura, el graduador de tensión presenta un aumento de la distorsión armónica
15
total y una disminución en la tensión de salida, cuando el ángulo de disparo de
los tiristores es muy grande.
La distorsión armónica también crece cuando los disparos se aproximan a
180º. Esto se debe a que la forma de onda de la tensión de salida es un pulso de
corta duración y como la carga es resistiva pura, la forma de onda de la corriente
es idéntica a la tensión de salida. Las corrientes de entrada y de salida, en un
graduador son idénticas, por lo que de la comparación entre los pulsos de
corriente de entrada y la alimentación sinusoidal, la distorsión armónica
resultante es muy alta.
1.2.2 Carga resistiva inductiva
Nuevamente a modo de ejemplo, las simulaciones mostradas a
continuación, se realizaran con una resistencia de carga de 12 (Ohm), una
inductancia de 5 (mH) y con un disparo de los tiristores de 20º.
La tensión de alimentación es recortada por los semiconductores, pero a
causa de la inductancia de carga se tiene un pequeño pulso negativo, ya que
obliga al tiristor a seguir conduciendo. Esa tensión negativa y su duración, solo
depende del valor del elemento inductivo en la carga.
Como el inductor es un elemento circuital que puede acumular energía,
puede obligar a los tiristores a seguir conduciendo por un tiempo, el cual va a
depender del valor de inductancia y del disparo de los tiristores. Si la inductancia
es pequeña, no es capaz de almacenar la energía necesaria para obligar a los
tiristores a seguir conduciendo, pero si esa inductancia de carga es lo
suficientemente grande, la energía almacenada obligará a los tiristores a seguir
conduciendo, siempre y cuando el disparo de los tiristores permita al inductor
que se cargue. En el preciso momento en que se termine esa energía, los
tiristores dejan de conducir y la forma de onda de la tensión de salida llega
abruptamente a cero.
16
Como se tiene una carga resistiva inductiva, la corriente de carga no es el
fiel reflejo de la tensión de salida.
Figura 1-12 Tensión de Salida graduador convencional con carga RL
Figura 1-13 Corriente en la fuente de alimentación del graduador con carga RL.
17
En la figura 1-13 no es notorio el corte que provocan los tiristores, ya que
se tiene una inductancia de carga lo suficientemente grande como para suavizar
la forma de onda.
Figura 1-14 Espectro armónico de la corriente de entrada del graduador con
carga RL.
Tabla 1-7 Componentes armónicas de la corriente de alimentación del circuito
graduador convencional con carga resistiva inductiva y con un disparo de 20º.
Armónica Frecuencia Componentes Componentes (Nº) (Hz) de Fourier Normalizadas
1 50 1,27E+01 1,00E+00 2 100 5,28E-06 4,17E-07 3 150 4,00E-01 3,15E-02 4 200 5,45E-06 4,30E-07 5 250 3,48E-01 2,74E-02 6 300 5,87E-06 4,63E-07 7 350 2,93E-01 2,31E-02 8 400 6,29E-06 4,96E-07 9 450 2,41E-01 1,90E-02
10 500 6,18E-06 4,87E-07 11 550 1,96E-01 1,54E-02 12 600 5,44E-06 4,29E-07 13 650 1,57E-01 1,24E-02
18
Al igual que el circuito graduador con carga resistiva pura, al cambiar el
ángulo de disparo cambia la distorsión armónica y la tensión de salida. Entonces
para otros disparos y manteniendo la carga, los resultados son los siguientes:
Tabla 1-8 Distorsión armónica y tensión de salida del graduador con carga RL.
Distorsión Tensión de (Grados) Armónica (%) Salida (Vrms)
10 0,99 110,5 20 5,70 110,1 30 11,53 108,9 40 17,96 106,9 50 24,88 103,6 60 32,12 99,1 70 39,89 93,2 80 47,89 86,2 90 56,83 77,9
Observación:
Como era de esperarse, a medida que el disparo crece, la tensión efectiva
en la carga disminuye. Esto se debe a que los tiristores impiden el traspaso de
energía hacia la carga, durante un período muy prolongado.
Nuevamente tal como ocurrió con el rectificador controlado, al aumentar el
pulso de comando de los tiristores (cercano a 180º), la distorsión armónica total
va en aumento.
CAPÍTULO 2
CIRCUITO RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA CONTROLADO PROPUESTO.
El circuito rectificador es el encargado de convertir una corriente alterna
en continua. Para ello utiliza semiconductores, ya sean diodos o tiristores.
Los tiristores brindan la posibilidad de controlar el flujo de energía que se
envía hacia la carga, lo que no ocurre con los diodos. La manera de controlar
esa energía, es mediante un control que ejecuta el inicio de conducción de los
tiristores cuando se polarizan directo. Como ese disparo, puede ejecutarse en
cualquier tiempo, la forma de onda que genera, se inicia abruptamente desde
cero, es decir, pasa de la no conducción a la conducción casi instantáneamente.
El objetivo del presente proyecto, es disminuir la contaminación armónica
mediante la inclusión de inductores en serie a los tiristores, para tratar de evitar
que se produzca discontinuidad en la forma de onda de la corriente de entrada.
El circuito rectificador propuesto, consiste en adicionar un inductor por
cada semiconductor, el cual se presenta a continuación:
Figura 2-1 Circuito rectificador monofásico controlado de onda completa
propuesto.
20
La ecuación de corriente que rige el rectificador controlado con carga
inductiva resistiva es: [1]
( )
2 2
2( )
( )
Rtef L
VI t sen t sen e
R L(2.1)
En donde:
R: Resistencia de carga
L: Inductancia en la carga.
: Grado de carga.
: Disparo de los tiristores.
Como se desea reducir el efecto armónico, es necesario que la corriente
de alimentación tenga la misma forma de onda que la tensión de alimentación, la
cual es sinusoidal. Como la corriente tiene un término sinusoidal y otro
exponencial y su forma de onda debe ser similar a la tensión, se debe eliminar el
término exponencial.
Luego, se iguala a cero:
( )0
Rt
Lsen e (2.2)
Se tiene:
( )0 0
Rt R
Lsen e (2.3)
Como el término exponencial nunca es cero, el término sinusoidal si
puede serlo, por lo tanto:
0;0 nsinsen (2.4)
Lo que expresa la ecuación anterior, es que el disparo de los tiristores
debe ser igual al grado de carga, el cual es producto de la inductancia y
resistencia de carga. Si esta relación se cumple, la corriente tiene una forma
sinusoidal, solo desplazada en .
21
Entonces, si el disparo es igual al grado de carga, la corriente en el
circuito rectificador es sinusoidal, e igual a:
2 2
2( )
( )
efVSi I t sen t
R L (2.5)
El grado de carga, es un ángulo compuesto por los elementos que están
en la salida del circuito.
2 2 2 2cos tan
( ) ( )
R L LArc Arcsen Arc
RR L R L(2.6)
Si la carga es resistiva pura y se desea reducir el contenido armónico para
un cierto disparo, se debe adicionar una inductancia en cada rama rectificadora.
El valor de esa inductancia propuesta es:
tan tanP CC CCL R R (2.7)
Ahora, si la carga es resistiva inductiva, no necesariamente se puede
adicionar una inductancia para que se reduzcan los armónicos. Dependerá del
valor de la inductancia de carga, lo cual se ve reflejado en la siguiente expresión:
tan tanP CC CC CC CCL R L R L (2.8)
En la ecuación anterior, pueden ocurrir tres situaciones. Una de ellas es
que el resultado de la ecuación sea positivo, el cual indicará el valor de la
inductancia a adicionar por cada brazo rectificador. Si se desea conocer el valor
de la inductancia por cada semiconductor, solo se debe dividir por dos el valor
obtenido.
Si la inductancia en la carga, es lo suficientemente grande como para que
la ecuación anterior sea igual a cero; no se deben adicionar inductancias, ya que
con esa carga y ese disparo, se están inyectando una menor cantidad de
armónicos a la red.
22
Ahora, si la inductancia de carga es tal, que el resultado de la ecuación
2.8 es negativo; tampoco se deben adicionar inductancias en los tiristores. Lo
que si se puede hacer, es calcular el disparo óptimo para esa carga, es decir,
calcular el grado de carga y luego disparar los tiristores con el mismo valor. Así
se logra una menor contaminación armónica a la red.
Como ya se conoce la ecuación, que indica la inductancia adicional
destinada a reducir los armónicos para un cierto disparo; a continuación se
presentará un ejemplo con carga resistiva pura y con carga resistiva inductiva.
2.1 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA CONTROLADO
CON CARGA RESISTIVA PURA.
A modo de ejemplo, se utiliza una carga de 11.4 (Ohms) y 20º de disparo.
La ecuación 2.7 se ocupa para un circuito rectificador con carga resistiva
pura e indica el valor de la inductancia adicional por cada brazo rectificador. Por
lo tanto, sólo se debe dividir por dos, para obtener la inductancia por cada tiristor.
Entonces la inductancia adicional por cada tiristor es: 6.604 (mH)
Las principales formas de onda se presentan a continuación:
Figura 2-2 Tensión de salida del rectificador para 11.4 (Ohms) y un disparo de
20º.
23
Figura 2-3 Corriente de entrada del rectificador para 11.4 (Ohms) y un disparo
de 20º.
La forma de onda de la corriente en la resistencia de carga, es idéntica a
la forma de onda de la tensión de salida. Esta forma de onda se refleja en la
fuente de alimentación, pero sin rectificar, es decir, es una sinusoide desplazada,
debido al grado de carga.
Figura 2-4 Espectro armónico de la corriente de entrada del rectificador para
11.4 (Ohms) y un disparo de 20º.
24
En el espectro armónico anterior, no es posible visualizar armónicas
pares, lo que indica que sus valores son despreciables. Además las
componentes armónicas impares son valores menores al 0.4% de la
fundamental, lo que implica un valor muy pequeño.
A continuación se presenta la tabla con los valores de las primeras 15
componentes armónicas, para un disparo de 20º y una resistencia de carga de
11.4 (Ohms).
Tabla 2-1 Espectro armónico del rectificador controlado para resistencia de
carga de 11.4 Ohms y un disparo 20º.
Armónica Frecuencia Amplitud Normalización (Nº) (HZ) (Amp.) (0/1)
1 50 12,65 1 2 100 1,63E-04 1,29E-05 3 150 4,94E-02 3,91E-03 4 200 7,24E-05 5,73E-06 5 250 2,50E-02 1,97E-03 6 300 2,68E-05 2,12E-06 7 350 1,63E-02 1,29E-03 8 400 3,79E-05 3,00E-06 9 450 1,20E-02 9,47E-04
10 500 1,16E-05 9,21E-07 11 550 9,56E-03 7,56E-04 12 600 2,26E-05 1,79E-06 13 650 7,86E-03 6,22E-04
La tabla anterior, confirma que los armónicos impares son de amplitudes
muy pequeñas, en comparación con la componente fundamental. Además la
distorsión armónica total, tiene un valor de 0.49%, el cual resulta bajo, en
comparación con el circuito convencional.
Las componentes armónicas pares debieran ser nulas por la simetría que
posee la corriente de entrada. Esto puede apreciarse en la tabla, ya que por
ejemplo la armónica 4 es de un 0.00057% de la fundamental, lo que es un valor
despreciable.
25
Las etapas de operación del circuito rectificador propuesto se muestran en
las figuras 2-5 y 2-6.
Ahora bien, si el disparo varía pero la inductancia serie de cada tiristor no
varía, se obtendrán diferentes distorsiones armónicas, en comparación con los
circuitos convencionales, junto con diferentes etapas de operación.
Para comprobar lo anterior, es necesario simular, disparos inferiores y
superiores a 20º, manteniendo la carga de 11.4 (Ohms) y las inductancias series
por cada tiristor de 6.604 (mH).
En primer lugar se mostraran las formas de onda y las etapas de
operación para un disparo menor a los 20º proyectados (10º); y para finalizar, se
presentarán las formas de onda y las etapas de operación para un disparo mayor
a los 20º iniciales (60º).
Etapa 1: t
Figura 2-5 Primera etapa de operación para un disparo de 20º
Etapa 2: 2t
Figura 2-6 Segunda etapa de operación para un disparo de 20º
26
Figura 2-7 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms) y un
disparo de 10º.
La forma de onda de la tensión de salida es una señal rectificada pero se
encuentra levantada con respecto al eje del tiempo. Esto es consecuencia de la
inductancia serie y de que el disparo es menor a lo proyectado.
Figura 2-8 Corriente de entrada para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms) y
un disparo de 10º.
27
Figura 2-9 Espectro armónico de la corriente de entrada para una resistencia de
carga de 11.4 (Ohms) y un disparo de 10º.
Las etapas de operación para disparos menores que el proyectado se
muestran en las figuras 2-10, 2-11 y 2-12.
Etapa 1:
Figura 2-10 Primera etapa de operación para un disparo de 10º
Etapa 2:
Figura 2-11 Segunda etapa de operación para un disparo de 10º
28
Etapa 3:
Figura 2-12 Tercera etapa de operación para un disparo de 10º
Observaciones:
La distorsión armónica total obtenida para este disparo es de 2.054%.
La forma de onda de la corriente de salida es idéntica a la forma de onda
de la tensión de salida, ya que la carga es resistiva pura. Es por este motivo que
su gráfica no fue incluida.
La corriente de entrada parece ser una sinusoide, pero antes de cada
cruce por cero, se aprecia un pequeño ensanchamiento de la señal. Esto se
debe a que la inductancia serie, es muy grande para el disparo de los tiristores,
por lo tanto, almacena más energía que la necesaria, para obligar a los
semiconductores a seguir conduciendo.
En la primera etapa de operación, conduce el tiristor del semiciclo positivo,
debiendo hacerlo solo hasta el momento que el tiristor del semiciclo negativo sea
activado. Pero como la inductancia es más grande para ese disparo, entra en
conducción el segundo tiristor. Aquí es donde comienza la segunda etapa de
operación.
La tercera etapa de operación comienza en el momento que la inductancia
del semiciclo positivo agota su energía, por lo que su tiristor se bloquea.
Terminada la tercera etapa, se repite nuevamente la segunda en que
ambos tiristores conducen. Cuando se acaba la energía de la inductancia del
semiciclo negativo, comienza nuevamente la primera etapa y el ciclo se vuelve a
repetir.
29
Figura 2-13 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms) y
un disparo de 60º.
La forma de onda de la tensión de salida es una señal rectificada pero
presenta discontinuidad. Esto es consecuencia principalmente a que el disparo
es mayor a lo proyectado.
Figura 2-14 Corriente de entrada para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms)
y un disparo de 60º.
30
Figura 2-15 Espectro armónico de la corriente de entrada para una resistencia
de carga de 11.4 (Ohms) y un disparo de 60º.
Las etapas de operación para disparos mayores que el proyectado se
muestran en las figuras 2-16, 2-17 y 2-18.
Etapa 1: t
Figura 2-16 Primera etapa de operación para un disparo de 60º
Etapa 2: t
Figura 2-17 Segunda etapa de operación para un disparo de 60º
31
Etapa 3: t
Figura 2-18 Tercera etapa de operación para un disparo de 60º
Observaciones:
La distorsión armónica total obtenida para este disparo es de 23.59%.
La forma de onda de la corriente de salida es idéntica a la forma de onda
de la tensión de salida, ya que la carga es resistiva pura. Es por este motivo que
su gráfica no fue incluida.
La forma de onda de la corriente de entrada presenta discontinuidad
debido a que el disparo es mayor que el proyectado y que la inductancia serie,
no es lo suficientemente grande como para almacenar la energía necesaria, que
obligue a los tiristores a seguir conduciendo.
En la primera etapa de operación conduce el tiristor del semiciclo positivo,
debiendo hacerlo solo hasta el momento que el tiristor del semiciclo negativo sea
activado. Pero como la inductancia es más pequeña para ese disparo, no es
capaz de obligar al tiristor a seguir conduciendo.
La segunda etapa comienza cuando los tiristores del semiciclo positivo
dejan de conducir. En ese momento no hay ningún semiconductor traspasando
energía a la carga. Esta etapa termina cuando los tiristores del brazo rectificador
negativo son disparados, dando comienzo a la tercera etapa.
Terminada la energía de los inductores del semiciclo negativo, concluye la
tercera etapa, repitiéndose nuevamente la segunda, en que ningún tiristor
conduce. Nuevamente se espera el disparo de los tiristores del semiciclo positivo
dando comienzo a la primera etapa.
32
Para comprobar la efectividad del circuito rectificador propuesto, es
necesario compararlo con el circuito convencional. Para ello es necesario tomar
muestras con diferentes disparos de los tiristores, pero manteniendo las
condiciones de carga de 11.4 (Ohms).
Tabla 2-2 Comparación entre el circuito rectificador convencional y el circuito
rectificador propuesto, para diferentes disparos con carga resistiva pura.
Circuito Propuesto Circuito Convencional Distorsión Tensión Eficaz Distorsión Tensión Eficaz
(Grados) Total (%) Salida (Vrms) Total (%) Salida (Vrms) 0 2,07 102,76 0,65 108,94 10 2,05 102,74 2,96 108,9 20 0,49 102,08 8,72 108,47 30 5,35 100,23 14,49 107,42 40 11,02 97,33 22,1 105,36 50 17,14 93,2 28,85 102,18 60 23,59 87,8 37,39 97,74 70 30,42 81,19 44,91 92,01 80 37,56 73,49 54,56 85,05 90 45,31 64,85 65,07 76,91
100 53,59 55,58 74,74 67,85 110 62,9 45,92 87,86 58,08 120 73,45 36,17 100,58 47,82 130 86,12 26,75 119,03 37,54 140 102,07 18,04 138,45 27,46 150 123,81 10,5 170,54 18,05 160 158,75 4,63 211,44 9,85 170 232,71 0,99 306,24 3,37
En la tabla anterior se puede apreciar que para disparos mayores a los
10º, el circuito propuesto presenta una menor distorsión armónica total, que el
circuito rectificador convencional. Por lo tanto, desde este punto de vista, el
incluir inductancias en serie a cada tiristor, hace disminuir el efecto armónico.
La problemática surge en la tensión eficaz de la carga, ya que esta decae
en comparación con los valores arrojados en el circuito convencional. Ello ocurre
por la inclusión de las inductancias serie.
33
Para apreciar de una manera gráfica la tabla 2-2, se muestran las
distorsiones armónicas y las tensiones eficaces para ambos circuitos.
Disparo v/s Distorsión Armónica Total
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
THD
(%)
THD Conv.
THD Prop.
Figura 2-19 Distorsión armónica total para todo disparo del circuito rectificador
propuesto y del convencional, con carga resistiva pura.
Disparo v/s Tensión Eficaz
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Tens
ión
Efic
az (V
rms)
V(ef) Prop.
V(ef) Conv.
Figura 2-20 Tensión eficaz de salida para todo disparo del circuito rectificador
propuesto y del convencional, con carga resistiva pura.
34
Observación:
En el caso de tener una carga resistiva inductiva, se pueden adicionar
inductancias serie, siempre y cuando el grado de carga sea menor que el disparo
deseado. Es decir:
tanL
ArcR
(2.9)
Si esto se cumple, la inductancia serie por brazo rectificador se calcula
mediante la ecuación 2.8. Ese valor debe dividirse por dos para obtener la
inductancia por cada tiristor.
Si esta condición no se cumple, es decir, si el grado de carga es igual o
mayor que el disparo proyectado, la inclusión de inductores no asegura una
distorsión armónica menor.
La única manera de intervenir en el circuito para poder disminuir la
contaminación armónica, es calculando el grado de carga y luego disparando los
tiristores con ese mismo valor, sin incluir inductores en serie.
2.2 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA CONTROLADO
CON CARGA RESISTIVA INDUCTIVA.
A modo de ejemplo, se utiliza una resistencia de 11.4 (Ohms) y una
inductancia de 6 (mH). Se mantiene un disparo proyectado de 20º para los
tiristores del brazo rectificador positivo y se agregan 180º a los tiristores del
brazo rectificador negativo.
La ecuación 2.8 se ocupa para un circuito rectificador con carga resistiva
inductiva e indica el valor de la inductancia adicional por cada brazo rectificador.
Por lo tanto, solo se debe dividir por dos para obtener la inductancia por cada
semiconductor controlado.
Entonces la inductancia adicional por cada tiristor es: 3.604 (mH)
Las principales formas de onda del circuito rectificador propuesto con
carga RL, se presentan a continuación.
35
Figura 2-21 Tensión de salida del rectificador para 11.4 (Ohms), 6(mH) y un
disparo de 20º.
Figura 2-22 Corriente de entrada del rectificador para 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un
disparo de 20º.
La forma de onda de la corriente en la carga, es una sinusoide rectificada
desplazada debido al grado de carga. Esta forma de onda se refleja en la fuente
de alimentación, pero sin rectificar, la cual se asemeja a la forma de onda de la
tensión de alimentación.
36
Figura 2-23 Espectro armónico de la corriente de entrada del rectificador para
11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo de 20º.
A continuación se presenta la tabla con los valores de las primeras 15
amplitudes armónicas, para 20º, con una carga de 11.4 (Ohms) y 6 (mH).
Tabla 2-3 Espectro armónico del rectificador controlado para resistencia de 11.4
(Ohms), 6(mH) y un disparo 20º.
Armónica Frecuencia Amplitud Normalización (Nº) (HZ) (Amp.) (0/1)
1 50 12,65 1 2 100 2,87E-05 2,27E-05 3 150 4,93E-02 3,90E-03 4 200 3,21E-05 2,54E-06 5 250 2,49E-02 1,97E-03 6 300 3,41E-05 2,70E-06 7 350 1,62E-02 1,28E-03 8 400 3,40E-05 2,69E-06 9 450 1,19E-02 9,43E-04
10 500 1,19E-05 2,52E-06 11 550 9,53E-03 7,53E-04 12 600 3,21E-05 2,54E-06 13 650 7,83E-03 6,19E-04
37
La tabla anterior, confirma que los armónicos impares son de amplitudes
muy pequeñas en comparación con la componente fundamental, al igual que en
el caso del rectificador con carga resistiva pura. Asimismo, la distorsión armónica
total tiene un valor de 0.49%, el cual es bajo en comparación con el circuito
convencional. Además las componentes armónicas pares son despreciables.
Las etapas de operación del circuito rectificador modificado se muestran
en las figuras 2-24 y 2-25.
Son solo dos las etapas de operación cuando el disparo es igual al grado
de carga. Esto era de esperarse, ya que cuando se disparan los tiristores del
semiciclo positivo comienza la primera etapa y justo en el momento en que los
inductores agotan su energía son disparados los tiristores del semiciclo negativo,
dando comienzo a la segunda etapa.
Etapa 1: t
Figura 2-24 Primera etapa de operación para un disparo de 20º y carga RL.
Etapa 2: 2t
Figura 2-25 Segunda etapa de operación para un disparo de 20º y carga RL.
38
Si el disparo varía pero la inductancia serie de cada tiristor no, se
obtendrán diferentes distorsiones armónicas en comparación con los circuitos
convencionales, además de diferentes etapas de operación.
Para comprobarlo, es necesario simular disparos inferiores y superiores a
20º, manteniendo la carga de 11.4 (Ohms) y 6 (mH). Además, las inductancias
serie por cada semiconductor de 3.604 (mH) se deben mantener.
En primer lugar, se mostraran las formas de onda y las etapas de
operación para un disparo menor a los 20º proyectados (10º), y para finalizar se
presentarán las formas de onda y las etapas de operación para un disparo mayor
a los 20º iniciales (60º).
La forma de onda de la tensión de salida, es una señal rectificada, pero la
diferencia con el disparo de 20º, es que se encuentra levantada con respecto al
eje del tiempo. Esto es consecuencia, de que las inductancias no se descargan
completamente, cuando los tiristores del otro semiciclo son disparados.
Figura 2-26 Tensión de salida para una resistencia de 11.4 (Ohms), 6(mH) y un
disparo de 10º.
39
Figura 2-27 Corriente de entrada para una resistencia de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y
un disparo de 10º.
Figura 2-28 Espectro armónico de la corriente de entrada para una resistencia
de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo de 10º.
La corriente de entrada pareciera tener una forma sinusoidal, pero justo
en los instantes en que la señal cruza por cero, se produce un pequeño
ensanchamiento, solo si el disparo es menor que el proyectado.
La distorsión armónica total obtenida para este disparo es de 4.30%.
40
Las etapas de operación para disparos menores que el proyectado se
muestran en las figuras 2-29, 2-30 y 2-31.
Etapa 1:
Figura 2-29 Primera etapa de operación para un disparo de 10º y carga RL.
Etapa 2:
Figura 2-30 Segunda etapa de operación para un disparo de 10º y carga RL.
Etapa 3:
Figura 2-31 Tercera etapa de operación para un disparo de 10º y carga RL.
41
Observaciones:
Para la primera etapa de operación, conduce el tiristor del semiciclo
positivo, debiendo hacerlo solo hasta el momento en que el tiristor del semiciclo
negativo sea activado. Pero como la inductancia es más grande para ese
disparo, entra en conducción el segundo tiristor. Aquí es donde comienza la
segunda etapa.
La tercera etapa, comienza en el momento que la inductancia del
semiciclo positivo agota su energía, por lo que su tiristor se bloquea.
Terminada la tercera etapa, se repite nuevamente la segunda, en que
ambos tiristores conducen. Cuando se acaba la energía de la inductancia del
semiciclo negativo, comienza nuevamente la primera etapa y el ciclo se repite.
La forma de onda de la tensión de salida, es una señal rectificada, pero la
diferencia con el disparo de 20º, es que presenta discontinuidad. Esto es
consecuencia de que la inductancia serie no almacena la energía necesaria,
para obligar a los tiristores a seguir conduciendo.
Figura 2-32 Tensión de salida para una resistencia de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un
disparo de 60º.
42
Figura 2-33 Corriente de entrada para una resistencia de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y
un disparo de 60º.
Figura 2-34 Espectro armónico de la corriente de entrada para una resistencia
de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo de 60º.
La corriente de entrada presenta discontinuidad, al igual que la tensión de
salida, debido a que el disparo de los tiristores, es mayor al proyectado,
produciendo que los inductores no almacenen la energía suficiente, como para
obligar a los tiristores, a seguir conduciendo.
43
Las etapas de operación para disparos mayores que el proyectado se
muestran en las figuras 2-35, 2-36 y 2-37.
Etapa 1: t
Figura 2-35 Primera etapa de operación para un disparo de 60º y carga RL.
Etapa 2: t
Figura 2-36 Segunda etapa de operación para un disparo de 60º y carga RL.
Etapa 3: t
Figura 2-37 Tercera etapa de operación para un disparo de 60º y carga RL.
44
Observaciones:
La distorsión armónica total obtenida para este disparo es de 23.58%.
En la primera etapa de operación, conducen los tiristores del semiciclo
positivo, debiendo hacerlo solo hasta el momento, en que el tiristor del semiciclo
negativo sea activado. Pero como la inductancia es más pequeña para ese
disparo, no es capaz de obligar al tiristor a seguir conduciendo.
La segunda etapa comienza cuando los tiristores del semiciclo positivo
dejan de conducir. En ese momento no hay ningún semiconductor activado. Esta
etapa termina cuando los tiristores del brazo rectificador negativo, son
disparados, dando comienzo a la tercera etapa.
Terminada la energía de los inductores del semiciclo negativo, termina la
tercera etapa, repitiéndose la segunda, en que ningún tiristor conduce.
Nuevamente se espera el disparo de los tiristores del semiciclo positivo dando
comienzo a la primera etapa.
Hay que recordar, que si la carga posee un inductor con un valor muy
elevado, no es conveniente incluir inductancias adicionales a los tiristores, ya
que no reducen la contaminación armónica hacia la red. Entonces la única
alternativa, si se quisiera reducir la distorsión armónica, sería calcular el grado
de carga e igualar el disparo de los tiristores a ese ángulo, así se consigue que
la forma de onda de la corriente de entrada, sea igual a la sinusoidal de
alimentación, lo que reduce de buena manera los armónicos.
Por otra parte, para comprobar la efectividad del circuito rectificador
propuesto, es necesario compararlo con el circuito rectificador convencional.
Para ello es necesario tomar muestras con diferentes disparos de los tiristores,
pero manteniendo las condiciones de carga de 11.4 (Ohms) y 6 (mH). Además,
para el circuito rectificador propuesto, se deben mantener los inductores en serie
de cada semiconductor, para ver como se comporta, tanto en distorsión
armónica, como en nivel de tensión eficaz de salida.
45
Tabla 2-4 Comparación entre el circuito rectificador convencional y el circuito
rectificador propuesto, para diferentes disparos y carga RL.
Circuito Propuesto Circuito Convencional Distorsión Tensión Eficaz Distorsión Tensión Eficaz
(Grados) Total (%) Salida (Vrms) Total (%) Salida (Vrms) 0 4,90 104,74 5,36 108,96 10 4,30 104,50 0,67 109,01 20 0,48 103,65 5,00 108,49 30 5,34 101,97 10,68 107,51 40 11,02 99,26 16,98 105,51 50 17,13 95,34 23,82 102,33 60 23,58 90,66 30,93 98,67 70 30,38 83,77 38,45 92,13 80 37,58 76,23 46,76 85,44 90 45,24 67,78 54,89 77,03
100 53,61 58,65 64,20 67,98 110 62,85 48,91 74,41 58,21 120 73,49 39,17 85,99 48,04 130 86,19 26,76 99,94 37,74 140 102,12 18,02 116,58 27,78 150 128,64 10,37 139,51 18,42 160 158,32 6,51 174,04 10,21 170 231,81 2,13 248,14 3,77
En la tabla anterior, se puede apreciar que para cualquier disparo, con la
excepción de los 10º, el circuito propuesto presenta una menor distorsión
armónica total, que el circuito rectificador convencional. Por lo tanto, desde este
punto de vista, el incluir inductancias en serie a cada tiristor, disminuye el efecto
armónico.
Ahora, para un disparo de 10º, ocurre un fenómeno interesante, ya que en
el circuito convencional, se inyecta una menor contaminación armónica a la red,
en comparación del circuito propuesto. Esto se debe a que el grado de carga del
circuito convencional es de 9.4º, entonces para disparos cercanos a ese grado
de carga, el circuito convencional inyectará una contaminación muy reducida a la
red.
En cuanto a la tensión eficaz de salida, el circuito rectificador convencional
presenta una mayor tensión de salida, en comparación con el circuito propuesto.
46
Para apreciar de una manera gráfica la tabla 2-4, se muestran las
distorsiones armónicas y las tensiones eficaces para ambos circuitos.
Disparo v/s Distorsión Armónica Total
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
THD
(%)
THD Conv.
THD Prop.
Figura 2-38 Distorsión armónica total para todo disparo del circuito rectificador
propuesto y del convencional con carga RL.
Disparo v/s Tensión Eficaz
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Tens
ión
Efic
az (V
rms)
V(ef) Prop.
V(ef) Conv.
Figura 2-39 Tensión eficaz de salida para todo disparo del circuito rectificador
propuesto y del convencional con carga RL.
CAPÍTULO 3
CIRCUITO GRADUADOR DE TENSIÓNCON CONTROL POR FASE PROPUESTO.
El circuito graduador de tensión, es el encargado de regular la energía
que se envía hacia la carga, a través de semiconductores controlados, llamados
tiristores.
Los tiristores brindan la posibilidad de controlar el flujo de energía que se
envía hacia la carga, ya que para polarizarse directo, necesitan de un pulso de
control. Mientras más tarde sea el pulso de disparo, menor energía se transmite
hacia la carga.
El circuito graduador propuesto, consiste en adicionar un inductor por
cada semiconductor, lo cual se presenta en la figura 3-1.
La ecuación de corriente que rige el circuito graduador con carga inductiva
resistiva, es igual a la del rectificador controlado.
Figura 3-1 Circuito graduador de tensión propuesto.
48
( )
2 2
2( )
( )
Rtef L
VI t sen t sen e
R L(3.1)
Realizando el mismo análisis del capítulo 2, se obtiene la inductancia a
adicionar en cada tiristor, para carga resistiva pura:
tan tanP CC CCL R R (3.2)
Ahora, si la carga es resistiva inductiva, no necesariamente se puede
adicionar una inductancia, para reducir los armónicos. Todo depende del valor
de la inductancia en la carga, lo cual se ve reflejado en la siguiente expresión:
tan tanP CC CC CC CCL R L R L (3.3)
En la ecuación anterior, pueden ocurrir tres situaciones. Una de ellas es
que el resultado de la ecuación sea positivo, el cual indicará el valor de la
inductancia a adicionar por cada tiristor.
Si la inductancia en la carga, es lo suficientemente grande como para que
la ecuación anterior sea igual a cero; no se deben adicionar inductancias, ya que
con esa carga y ese disparo, se está inyectando una menor cantidad de
armónicos a la red.
Ahora si la inductancia de carga es tal, que el resultado de la ecuación 3.3
es negativo, tampoco se deben adicionar inductancias en los tiristores. Lo que se
podría hacer, sería calcular el disparo óptimo para esa carga, es decir, calcular el
grado de carga y luego disparar los tiristores con el mismo valor. Así se logra
una menor contaminación armónica a la red.
Como ya se conoce la ecuación que indica la inductancia adicional para
reducir los armónicos en un cierto disparo, a continuación se presentará un
ejemplo con carga resistiva pura y otro ejemplo con carga resistiva inductiva.
49
3.1 GRADUADOR DE TENSIÓN CON CARGA RESISTIVA PURA.
A modo de ejemplo, se utiliza una carga de 11.4 (Ohms) y 20º de disparo.
Ocupando la ecuación 3.2, se obtiene un valor de inductancia de 13.208
(mH) por cada tiristor.
3-2 Tensión de salida del graduador propuesto para 11.4 (Ohms) y un disparo
de 20º.
3-3 Corriente de entrada del graduador propuesto para 11.4 (Ohms) y un
disparo de 20º.
50
3-4 Espectro armónico de la corriente de entrada del graduador propuesto para
11.4 (Ohms) y un disparo de 20º.
La forma de onda de la corriente en la resistencia de carga, es idéntica a
la forma de onda de la tensión de salida, ya que la carga es resistiva pura. Esta
forma de onda se refleja en la fuente de alimentación, es decir, es una sinusoide
desplazada, debido al grado de carga.
A continuación, se muestran la amplitud de las primeras 13 armónicas.
Tabla 3-1 Espectro armónico del graduador de tensión para resistencia de carga
de 11.4 Ohms y un disparo 20º.
Armónica Frecuencia Amplitud Normalización (Nº) (HZ) (Amp.) (0/1)
1 50 12.75 1 2 100 4.45E-06 3.49E-07 3 150 2.30E-02 1.81E-03 4 200 7.79E-06 6.11E-07 5 250 1.21E-02 9.49E-04 6 300 1.06E-05 8.27E-07 7 350 7.68E-03 6.02E-04 8 400 1.17E-05 9.20E-07 9 450 5.79E-03 4.54E-04
10 500 1.15E-05 8.99E-07 11 550 4.51E-03 3.54E-04 12 600 9.67E-06 7.59E-07 13 650 3.80E-03 2.98E-04
51
En la tabla anterior, se confirma que los armónicos impares son de
amplitudes muy pequeñas en comparación con la componente fundamental.
Además la distorsión armónica total tiene un valor de 0.228%, el cual es bajo en
comparación con el circuito convencional.
Las componentes armónicas pares son de valores despreciables, por
ejemplo la cuarta armónica es un 0.000061% de la fundamental, lo que debía
ocurrir por la simetría que posee la corriente de entrada.
Las etapas de operación del circuito graduador propuesto se muestran en
las figuras 3-5 y 3-6.
Etapa 1: t
Figura 3-5 Primera etapa de operación para un disparo de 20º
Etapa 2: 2t
Figura 3-6 Segunda etapa de operación para un disparo de 20º
52
A continuación se muestran las formas de onda obtenidas para un disparo
menor que los 20º propuestos (10º), al igual que sus etapas de operación. Luego
se muestran las formas de onda y las etapas de operación para un disparo de
60º que es mayor que el proyectado. En ambos casos se mantiene la resistencia
de 11.4 (Ohms) y las inductancias serie de 13.208 (mH).
Figura 3-7 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms) y un
disparo de 10º.
Figura 3-8 Corriente de entrada para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms) y
un disparo de 10º.
53
Las formas de onda tanto de la tensión como de la corriente de salida son
idénticas ya que la carga es resistiva pura. Además la corriente de entrada es
idéntica a la corriente de salida, la cual se aprecia en la figura anterior.
Figura 3-9 Espectro armónico de la corriente de entrada para una resistencia de
carga de 11.4 (Ohms) y un disparo de 10º
Las etapas de operación para disparos menores que el proyectado se
muestran en las figuras 3-10, 3-11 y 3-12.
Etapa 1:
Figura 3-10 Primera etapa de operación para un disparo de 10º
54
La etapa 1 comienza cuando se dispara el tiristor del semiciclo positivo,
pero debido a que el disparo es menor que el proyectado; el inductor no entrega
toda su energía, por lo que obliga al tiristor, a seguir conduciendo aun después
de que se dispare el tiristor del semiciclo negativo, dando inicio a la segunda
etapa.
Etapa 2:
Figura 3-11 Segunda etapa de operación para un disparo de 10º
Luego que la energía almacenada en el inductor del semiciclo positivo se
agota, el tiristor se bloquea, dejando solo en la conducción al tiristor del semiciclo
negativo, dando inicio a la tercera etapa.
Etapa 3:
Figura 3-12 Tercera etapa de operación para un disparo de 10º
55
Luego de la tercera etapa, el inductor del semiciclo negativo queda
cargado y continúa en conducción hasta que se dispara el tiristor positivo, dando
comienzo a la segunda etapa. Cuando la energía del inductor negativo se acaba,
comienza nuevamente la primera etapa.
Figura 3-13 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms) y
un disparo de 60º.
Figura 3-14 Corriente de entrada para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms)
y un disparo de 60º.
56
La forma de onda de la tensión de salida, es una señal casi sinusoidal,
pero con una pequeña discontinuidad. Su continuidad depende del disparo, ya
que si el disparo es mayor, la discontinuidad también lo es.
Figura 3-15 Espectro armónico de la corriente de entrada para una resistencia
de carga de 11.4 (Ohms) y un disparo de 60º.
Las etapas de operación para disparos mayores que el proyectado se
muestran en las figuras 3-16, 3-17 y 3-18:
Etapa 1: t
Figura 3-16 Primera etapa de operación para un disparo de 60º
57
En la etapa 1, el tiristor del semiciclo positivo entra en conducción. Como
el disparo es mayor que el proyectado, su inductor no almacena la energía
suficiente, que obligue al semiconductor a seguir conduciendo, hasta que se
dispare el tiristor del semiciclo negativo. Entonces, cuando ningún tiristor
conduce, se da paso a la siguiente etapa.
Etapa 2: t
Figura 3-17 Segunda etapa de operación para un disparo de 60º
Esta etapa se termina cuando el tiristor del semiciclo negativo es
disparado, dando inicio a la tercera etapa de operación.
Etapa 3: t
Figura 3-18 Tercera etapa de operación para un disparo de 60º
58
Como el disparo es menor que el proyectado, la energía almacenada en el
inductor del semiciclo negativo, no es suficiente para obligar a su semiconductor
a seguir conduciendo, por lo que la conducción hacia la carga, se interrumpe,
dando inicio una vez más a la segunda etapa de operación.
Para comprobar la efectividad del circuito graduador propuesto, es
necesario compararlo con el circuito convencional. Para ello es necesario tomar
muestras con diferentes disparos de los tiristores, pero manteniendo las
condiciones de carga de 11.4 (Ohms).
Tabla 3-2 Comparación entre el circuito graduador convencional y el circuito
graduador propuesto, para diferentes disparos y carga resistiva pura.
Circuito Propuesto Circuito Convencional Distorsión Tensión Eficaz Distorsión Tensión Eficaz
(Grados) Total (%) Salida (Vrms) Total (%) Salida (Vrms) 0 5.66 105.00 0.32 109.76
10 3.63 104.08 2.92 109.79 20 0.24 102.93 8.24 109.38 30 5.19 101.08 14.56 108.27 40 10.84 98.11 21.61 106.22 50 16.96 93.92 29.01 103.00 60 23.40 88.51 36.94 98.53 70 30.18 81.85 45.20 92.72 80 37.35 74.10 54.16 85.73 90 45.00 65.42 63.89 77.56 100 53.33 56.09 74.43 68.44 110 62.56 46.37 86.55 58.61 120 73.13 36.58 100.39 48.31 130 85.70 27.09 117.39 37.98 140 101.54 18.33 138.58 27.86 150 123.16 10.72 168.00 18.41 160 157.31 4.77 212.63 10.09 170 230.41 1.06 299.98 3.52
En la tabla anterior, se puede apreciar que para disparos mayores a los
20º, el circuito propuesto presenta una menor distorsión armónica total, que el
circuito graduador convencional. Por lo tanto, desde este punto de vista, el incluir
inductancias en serie a cada tiristor, disminuye el efecto armónico.
59
Para apreciar de una manera gráfica la tabla 3-2, se muestran las
distorsiones armónicas y las tensiones eficaces para ambos circuitos.
Disparo v/s Distorsión Armónica Total
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
THD
(%)
THD Conv.
THD Prop.
Figura 3-19 Distorsión armónica total para todo disparo del circuito graduador
propuesto y del convencional, con carga resistiva pura.
Disparo v/s Tensión Eficaz
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Tens
ión
Efic
az (V
rms)
V(ef) Prop.
V(ef) Conv.
Figura 3-20 Tensión eficaz de salida para todo disparo del circuito graduador
propuesto y del convencional, con carga resistiva pura.
60
3.2 GRADUADOR DE TENSIÓN CON CARGA RESISTIVA INDUCTIVA.
A modo de ejemplo, se utiliza una carga de 11.4 (Ohms) y 6 (mH), con un
disparo proyectado de 20º. Se utiliza la ecuación 3.8 para calcular la inductancia
por cada semiconductor, lo que arroja un valor de 7.208 (mH).
3-21 Tensión de salida del graduador para 11.4 (Ohms), 6 (mH) y 20º.
3-22 Corriente de entrada del graduador para 11.4 (Ohms), 6(mH) y 20º.
61
La forma de onda de la corriente en la carga, es una sinusoide desplazada
debido al grado de carga. Esta forma de onda se refleja en la entrada,
comparándose con la forma de onda de la tensión de salida, y obteniéndose la
distorsión armónica total.
Como ambas formas de onda son similares, la contaminación armónica
debe tener un valor muy pequeño, de acuerdo a lo esperado.
En el espectro armónico, las armónicas impares no sobrepasan el 0.2%
de la componente fundamental, siendo este un valor bajo. Ello indica, que la
distorsión armónica total también debe ser de un valor bajo. Además, los
armónicos pares son casi nulos, por la simetría que posee la forma de onda de la
corriente.
Las componentes armónicas impares, mayores a la armónica 13, son
menores, por lo que no son incluidas en estas figuras.
Todo lo anterior, confirma que la distorsión armónica total del circuito
graduador propuesto, es muy pequeña (0.25%), lo que es favorable desde ese
punto de vista. Pero es necesario saber como se comporta con otros disparos.
3-23 Espectro armónico de la corriente de entrada del rectificador para 11.4
(Ohms), 6 (mH) y 20º.
62
Para visualizar de una mejor manera las amplitudes armónicas, se
presenta esta tabla con las primeras 15 armónicas, para un disparo proyectado
de 20º. Además la carga es de 11.4 (Ohms) y 6 (mH).
Tabla 3-3 Espectro armónico del graduador de tensión para una carga de 11.4
(Ohms), 6 (mH) y un disparo 20º.
Armónica Frecuencia Amplitud Normalización (Nº) (HZ) (Amp.) (0/1)
1 50 12.75 1.00E00 2 100 6.40E-04 5.02E-05 3 150 2.53E-02 1.99E-03 4 200 4.36E-04 3.42E-05 5 250 1.30E-02 1.02E-03 6 300 2.66E-04 2.08E-05 7 350 8.53E-03 6.69E-04 8 400 2.34E-04 1.83E-05 9 450 6.33E-04 4.97E-04
10 500 1.77E-04 1.39E-05 11 550 5.03E-03 3.95E-04 12 600 1.32E-04 1.03E-05 13 650 4.17E-03 3.27E-04
Las etapas de operación del circuito graduador propuesto se muestran en
las figuras 3-24 y 3-25.
Etapa 1: t
Figura 3-24 Primera etapa de operación para un disparo de 20º y carga RL
63
Etapa 2: 2t
Figura 3-25 Segunda etapa de operación para un disparo de 20º y carga RL.
Si el disparo varía, las formas de onda del graduador también lo hacen. Es
por esto que se mostraran las formas de onda para un disparo de 10º, al igual
que sus etapas de operación. Luego se muestran las formas de onda y las
etapas de operación para un disparo de 60º. En ambos casos se mantiene la
carga de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y la inductancia serie de cada tiristor.
Figura 3-26 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms), 6
(mH) y un disparo de 10º.
64
Figura 3-27 Corriente de entrada para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms),
6 (mH) y un disparo de 10º.
Figura 3-28 Espectro armónico de la corriente de entrada para una resistencia
de carga de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo de 10º.
En el espectro armónico, la componente tercera supera apenas el 1.2%
de la componente fundamental, con lo que se puede esperar una distorsión
armónica baja.
65
Las etapas de operación para disparos menores que el proyectado se
muestran en las figuras 3-29, 3-30 y 3-31.
En la primera etapa, el inductor que acompaña al tiristor del semiciclo
positivo, no entrega toda su energía, por lo que el tiristor sigue conduciendo
después que se dispara el tiristor del semiciclo negativo, dando comienzo a la
segunda etapa.
Luego que la energía almacenada en el inductor positivo se agota (etapa
2), deja solo en la conducción el tiristor negativo, dando comienzo a la etapa 3.
Etapa 1:
Figura 3-29 Primera etapa de operación para un disparo de 10º y carga RL.
Etapa 2:
Figura 3-30 Segunda etapa de operación para un disparo de 10º y carga RL.
66
Etapa 3:
Figura 3-31 Tercera etapa de operación para un disparo de 10º y carga RL.
El inductor del semiciclo negativo queda cargado y continúa conduciendo
hasta que se dispara el tiristor positivo, dando comienzo a la segunda etapa
nuevamente.
Figura 3-32 Tensión de salida para una resistencia de carga de 11.4 (Ohms), 6
(mH) y un disparo de 60º.
67
La forma de onda de la tensión de salida es una señal casi sinusoidal,
pero con una pequeña discontinuidad. La continuidad depende del disparo, ya
que si el disparo es mayor la discontinuidad también es mayor.
Figura 3-33 Corriente de entrada para una carga de 11.4 (Ohms), 6 (mH) y un
disparo de 60º.
Figura 3-34 Espectro armónico de la corriente de entrada para una carga de
11.4 (Ohms), 6 (mH) y un disparo de 60º.
68
Las etapas de operación para disparos mayores que el proyectado se
muestran en las figuras 3-35, 3-36 y 3-37.
En la etapa 1, es cuando el tiristor del semiciclo positivo entra en
conducción. Su inductor no almacena la energía suficiente que obligue al
semiconductor a seguir conduciendo, hasta que se dispare el tiristor del
semiciclo negativo. Entonces cuando ningún tiristor conduce, se da paso a la
siguiente etapa.
Etapa 1: t
Figura 3-35 Primera etapa de operación para un disparo de 60º y carga RL.
Etapa 2: t
Figura 3-36 Segunda etapa de operación para un disparo de 60º y carga RL.
69
Etapa 3: t
Figura 3-37 Tercera etapa de operación para un disparo de 60º y carga RL.
Es en esta tercera etapa, cuando el tiristor negativo entra en conducción.
Su inductor no almacena la energía suficiente que obligue al semiconductor a
seguir conduciendo, hasta que se dispare el tiristor positivo. Entonces, cuando
ningún tiristor conduce, se da paso nuevamente a la segunda etapa.
Observaciones:
La discontinuidad que presenta la corriente de salida, se debe
principalmente a dos motivos:
El primer motivo, se refiere a que la inductancia es muy pequeña, ya que
no es capaz de almacenar la energía suficiente, como para obligar a los tiristores
a seguir conduciendo.
El segundo motivo, un poco más importante que el primero, dice relación
con el disparo proyectado: si el disparo es cercano a 180º, los inductores no
pueden tomar la energía necesaria para obligar a los tiristores a seguir
conduciendo.
Para comprobar la efectividad del circuito graduador propuesto, es
necesario compararlo con el circuito convencional. Para ello es necesario tomar
muestras con diferentes disparos de los tiristores, pero manteniendo las
condiciones de carga de 11.4 (Ohms).
70
Tabla 3-4 Comparación entre el circuito graduador convencional y el circuito
graduador propuesto, para diferentes disparos y carga resistiva inductiva.
Circuito Propuesto Circuito Convencional Distorsión Tensión Eficaz Distorsión Tensión Eficaz
(Grados) Total (%) Salida (Vrms) Total (%) Salida (Vrms) 0 2.86 104.25 0.26 108.54
10 1.86 103.92 0.41 108.44 20 0.25 103.23 4.87 107.78 30 5.18 101.17 10.54 106.30 40 10.85 100.11 16.85 103.76 50 16.96 94.01 23.62 100.03 60 23.38 91.12 30.74 94.99 70 30.18 81.87 38.24 88.62 80 37.34 74.11 46.16 81.09 90 45.00 68.30 54.66 72.55 100 53.33 56.07 63.88 63.10 110 62.56 46.35 74.07 53.11 120 73.13 36.54 85.68 42.84 130 85.70 27.08 99.31 32.67 140 101.54 18.31 116.19 22.94 150 123.16 10.71 138.69 14.16 160 157.30 4.76 173.25 6.84 170 230.16 1.06 244.83 1.74
En la tabla anterior, se aprecia que, para disparos mayores a los 20º, el
circuito propuesto presenta una menor distorsión armónica total, que el circuito
graduador convencional. Por lo tanto, desde este punto de vista el incluir
inductancias en serie a cada tiristor, ocasiona la disminución armónica en la red.
Para disparos menores al disparo propuesto, la distorsión armónica total
es menor en el circuito convencional. Esto se puede explicar, ya que el grado de
carga del circuito convencional es de 9.4º, con lo cual para disparos cercanos a
ese ángulo el circuito, inyecta una menor cantidad de armónicos.
Al igual que en el circuito rectificador, al incluir inductores en serie a los
tiristores, la tensión eficaz de salida disminuye, lo que se puede ver como una
problemática.
Para apreciar de una manera gráfica la tabla 3-4, se muestran las
distorsiones armónicas y las tensiones eficaces para ambos circuitos.
71
Disparo v/s Distorsión Armónica Total
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
THD
(%)
THD Conv.
THD Prop.
Figura 3-38 Distorsión armónica total para todo disparo del circuito graduador
propuesto y del convencional, con carga resistiva inductiva.
Disparo v/s Tensión Eficaz
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Tens
ión
Efic
az (V
rms)
V(ef) Prop.
V(ef) Conv.
Figura 3-39 Tensión eficaz de salida para todo disparo del circuito graduador
propuesto y del convencional, con carga resistiva inductiva.
CAPÍTULO 4
ESTUDIO TEÓRICO DE LAS SEÑALES DE LOS CIRCUITOS PROPUESTOS.
Si se analiza la distorsión armónica total de un circuito, es esencial
conocer como se comportan las sus componentes armónicas. Para ello se utiliza
la serie de Fourier, la cual señala que cualquier función, se puede descomponer
en una serie de términos pares, más una serie de términos impares.
0 1 0 0 1 0 0( ) cos( ) .. cos( ) ( ) .. ( )N Nf t a a t a n t b sen t b sen n t(4.1)
O bien, se escribe como:
0 0 01
( ) ( cos( ) ( ))N NN
f t a a n t b sen n t (4.2)
En donde el término 0a representa el valor medio de f(t), y se describe así:
Tt
t
dttfT
a0
0
)(1
0 (4.3)
El coeficiente Na representa los componentes pares de la función f(t), y se
describe con la siguiente ecuación:
0
0
0
1( ) cos( )
t T
N
t
a f t n t dtT
(4.4)
El coeficiente Nb representa los componentes impares de la función f(t), y
se describe con la siguiente ecuación:
0
0
0
1( ) ( )
t T
N
t
b f t sen n t dtT
(4.5)
La serie compacta de Fourier permite conocer la amplitud de las
componentes armónicas y es descrita por la siguiente ecuación:
01
( ) ( cos( ))N NN
f t c n t (4.6)
73
En donde N representa el desfase de la componente “N” de f(t), que es
igual a:
N
NN a
b1tan (4.7)
Por otra parte Nc es la amplitud de la componente “N” de f(t), que
presenta la siguiente ecuación:
22NNN bac (4.8)
Justamente esta última ecuación, es la que se debe utilizar, para graficar
las diferentes componentes armónicas, de la corriente de entrada en los circuitos
graduadores y rectificadores. Pero se necesita dividir por la componente
fundamental, para que las amplitudes armónicas se expresen por unidad (0/1).
Lo anterior se soluciona al dividir la amplitud de la componente “N” por la
componente fundamental:
21
21
22
ba
bac NN
N (4.8)
Tanto como para el circuito rectificador controlado, como para el circuito
graduador de tensión, la corriente tiene la misma ecuación:
( )
2 2
2( )
( )
Rtef L
VI t sen t sen e
R L(4.9)
Entonces el valor del coeficiente par y del coeficiente impar queda
expresado por:
( )
2 2
2cos( ) ( ) ( )
( )
Ref L
N
Va n t sen t sen e dt
T R L(4.10)
( )
2 2
2( ) ( ) ( )
( )
Ref L
N
Vb sen n t sen t sen e dt
T R L(4.11)
74
Luego de desarrollar las integrales pero sin evaluarlas en sus límites
, , se tiene:
2
( )2 2
22
1(cos cos(( 1) ) (( 1) ))
( 1)2
( )( ( ) cos( )( )
ef RtN L
n t nsen sen n tn
Va sen R
e nsen n t n tT R L LRn
L
(4.10)
2
( )2 2
22
1(cos (( 1) ) cos(( 1) ))
( 1)2
( )( ( ) cos( )( )
ef RtN L
sen n t nsen n tn
Vb sen R
e nsen n t n tT R L LRn
L
(4.11)
No es sencillo evaluar los coeficientes anteriores, ya que un coeficiente
depende del otro. Es decir, el ángulo de extinción de corriente depende del
disparo , por lo tanto, se debe dar el valor al disparo, para obtener el valor del
ángulo de extinción. Pero la expresión que relaciona ambos términos, no es facil
de evaluar, existiendo para ello, una familia de curvas, para diferentes grados de
carga.
)()(cot)()(0 anesensen (4.12)
En la siguiente gráfica se aprecia como varía el ángulo de extinción de
corriente para los diferentes disparos y para los diferentes grados de carga.
75
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
= 90o
= 30o
= 40o
= 75o
= 50o
= 80o
= 60o
= 70o
= 0,5o
= 10o
= 20o
= 5o
(grados)
(grados)
Figura 4-1 Angulo de extinción de corriente en función del disparo
Para ocupar la figura 4-1, se debe tener el grado de carga para mirar solo
esa curva, luego se comienza a dar valores de disparos y se conoce en el eje “y”
el valor del ángulo de extinción de corriente ( ).
Cada circuito será evaluado, mostrándose las curvas de las componentes
armónicas más significativas, obtenidas bajo simulación y por ecuaciones. Para
el desarrollo de las ecuaciones se utiliza el programa MathCad (curva
denominada MC) y para tomar muestras de las simulaciones, el programa P-
Spice (curva denominada SP).
76
4.1 CIRCUITO RECTIFICADOR CONTROLADO PROPUESTO CON CARGA RESISTIVA PURA.
A modo de ejemplo, se utilizará una carga resistiva de 11.4 (Ohms), un
disparo proyectado de 20º. Aplicando la ecuación 2.7 y dividiendo por dos, se
obtiene una inductancia por tiristor de 6,604 (mH).
Disparo v/s Tercera Armónica
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Terc
era
Arm
ónic
a (0
/1)
3ra MC
3ra SP
Figura 4-2 Tercera armónica de la corriente de entrada del circuito rectificador
Disparo v/s Quinta Armónica
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Qui
nta
Arm
ónic
a (0
/1)
5ta MC
5ta SP
Figura 4-3 Quinta armónica de la corriente de entrada del circuito rectificador
77
Disparo v/s Séptima Armónica
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Sépt
ima
Arm
ónic
a (0
/1)
7ma MC
7ma SP
Figura 4-4 Séptima armónica de la corriente de entrada del circuito rectificador
Disparo v/s Novena Armónica
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Nov
ena
Arm
ónic
a (0
/1)
9na MC
9na SP
Figura 4-5 Novena armónica de la corriente de entrada del circuito rectificador
De manera de complementar las gráficas anteriores, se muestra el error
porcentual entre las gráficas realizadas por el programa MathCad y por el
programa P-Spice.
78
Disparo v/s Error Porcentual
0
20
40
60
80
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Erro
r Por
cent
ual
3ra
5ta
7ma
9na
Figura 4-6 Error porcentual entre las gráficas realizadas por MathCad y por P-
Spice, para el rectificador controlado.
Otros grados de carga:
Para el circuito rectificador propuesto, se mantiene la carga resistiva pura
de 11.4 (Ohms) y se varía la inductancia serie de cada inductor, para obtener
otros grados de carga. Ocupando la ecuación 3.2 y dividiendo por dos para
obtener el inductor serie por cada tiristor, se tiene:
- Grado de carga de 20º, implica una inductancia serie de 6,604 (mH), por
cada semiconductor.
- Grado de carga de 40º, implica una inductancia serie de 15,224 (mH),
por cada semiconductor.
- Grado de carga de 60º, implica una inductancia serie de 31,426 (mH),
por cada semiconductor.
- Grado de carga de 80º, implica una inductancia serie de 102,898 (mH),
por cada semiconductor.
Los grados de carga anteriores son solo a modo de ejemplo, para poder
realizar una familia de curvas para el circuito rectificador propuesto.
79
Disparo v/s Tercera Armónica
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Terc
era
Arm
ónic
a (0
/1)
3ra (20º)
3ra (40º)
3ra (60º)
3ra (80º)
Figura 4-7 Tercera armónica del rectificador propuesto para varios grados de
carga
Disparo v/s Quinta Armónica
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Qui
nta
Arm
ónic
a (0
/1)
5ta (20º)
5ta (40º)
5ta (60º)
5ta (80º)
Figura 4-8 Quinta armónica del rectificador propuesto para varios grados de
carga
80
Disparo v/s Séptima Armónica
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Sépt
ima
Arm
ónic
a (0
/1)
7ma (20º)
7ma (40º)
7ma (60º)
7ma (80º)
Figura 4-9 Séptima armónica del rectificador propuesto para diferentes grados
de carga.
Disparo v/s Novena Armónica
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Nov
ena
Arm
ónic
a (0
/1)
9na (20º)
9na (40º)
9na (60º)
9na (80º)
Figura 4-10 Novena armónica del rectificador propuesto para diferentes grados
de carga.
81
4.2 CIRCUITO GRADUADOR DE TENSIÓN PROPUESTO CON CARGA RESISTIVA PURA.
Como ejemplo, se utiliza una carga resistiva de 11.4 (Ohms), y un disparo
de 20º. Aplicando la ecuación 3.7, la inductancia por cada tiristor es 13,208 (mH).
Disparo v/s Tercera Armónica
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Terc
era
Arm
ónic
a (0
/1)
3ra MC
3ra SP
Figura 4-11 Tercera armónica de la corriente de entrada del circuito graduador
propuesto
Disparo v/s Quinta Armónica
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Qui
nta
Arm
ónic
a (0
/1)
5ta MC
5ta SP
Figura 4-12 Quinta armónica de la corriente de entrada del circuito graduador
propuesto
82
Disparo v/s Séptima Armónica
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Sépt
ima
Arm
ónic
a (0
/1)
7ma MC
7ma SP
Figura 4-13 Séptima armónica de la corriente de entrada del circuito graduador
propuesto
Disparo v/s Novena Armónica
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Nov
ena
Arm
ónic
a (0
/1)
9na MC
9na SP
Figura 4-14 Novena armónica de la corriente de entrada del circuito graduador
propuesto
Nuevamente para complementar, se muestra el error porcentual entre las
gráficas realizadas por el programa MathCad y por el programa P-Spice.
83
Disparo v/s Error Porcentual
0
20
40
60
80
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Erro
r Por
cent
ual
3ra
5ta
7ma
9na
Figura 4-15 Error porcentual entre las gráficas realizadas por MathCad y por P-
Spice, para el graduador.
Otros grados de carga:
Para el circuito graduador propuesto se mantiene la carga resistiva pura
de 11.4 (Ohms) y se varía la inductancia serie, para obtener otros grados de
carga. Ocupando la ecuación 3.3 para obtener el inductor serie, se tiene:
- Grado de carga de 20º, implica una inductancia serie de 6,604 (mH), por
semiconductor.
- Grado de carga de 40º, implica una inductancia serie de 15,224 (mH),
por semiconductor.
- Grado de carga de 60º, implica una inductancia serie de 31,426 (mH),
por semiconductor.
- Grado de carga de 80º, implica una inductancia serie de 102,898 (mH),
por semiconductor.
A continuación se presentan las gráficas de las principales componentes
armónicas con respecto al disparo de los tiristores, para los cuatro grados de
carga presentados anteriormente.
84
Disparo v/s Tercera Armónica
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Terc
era
Arm
ónic
a (0
/1)
3ra (20º)
3ra (40º)
3ra (60º)
3ra (80º)
Figura 4-16 Tercera armónica del graduador propuesto para diferentes grados
de carga.
Disparo v/s Quinta Armónica
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Qui
nta
Arm
ónic
a (0
/1)
5ta (20º)
5ta (40º)
5ta (60º)
5ta (80º)
Figura 4-17 Quinta armónica del graduador propuesto para diferentes grados de
carga.
85
Disparo v/s Séptima Armónica
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Sépt
ima
Arm
ónic
a (0
/1)
7ma (20º)
7ma (40º)
7ma (60º)
7ma (80º)
Figura 4-18 Séptima armónica del graduador propuesto para diferentes grados de carga.
Disparo v/s Novena Armónica
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
(Grados)
Nov
ena
Arm
ónic
a (0
/1)
9na (20º)
9na (40º)
9na (60º)
9na (80º)
Figura 4-19 Novena armónica del graduador propuesto para diferentes grados de carga.
CAPÍTULO 5
COMPROBACIÓN EXPERIMENTAL.
Para la construcción del graduador de tensión, se debe definir
primeramente, el circuito de control para el disparo de los tiristores y mostrar las
principales formas de onda. Luego se presentarán las formas de onda del
circuito de potencia y las comparaciones con las graficas obtenidas por P-Spice
y Mathcad.
5.1 CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
Para disparar los tiristores, se utilizará el circuito integrado TCA 785, el
cual fue creado por la empresa Siemens y otorga dos pulsos desfasados uno de
otro en 180º.
Además, la hoja de datos del circuito integrado, propone dos
configuraciones para disparar un par de tiristores desfasados en 180º. La
diferencia entre ambas configuraciones, es la cantidad de transformadores de
pulso que se requieren.
Por la dificultad que se tiene para conseguir un transformador de pulso, se
optará por un optoacoplador. Tanto los transformadores de pulso, como los
optoacopladores, tienen como objetivo brindar un aislamiento entre los circuitos
de control y de potencia, para evitar que se quemen los componentes ante un
posible desperfecto en la parte de potencia.
Entonces, aquí está el primer cambio que se realiza en la configuración
propuesta por el circuito integrado (cambiar los transformadores de pulso por un
optoacoplador). Además, para limitar la corriente en la carga, se alimentará solo
con 110 (Vef) obtenidos mediante un Variac (Fuente CA-CA). Para ello, primero
se prueba la configuración en un protoboard, para saber si su funcionamiento no
presenta inconvenientes. Este será el segundo y definitivo cambio en el circuito
de control del graduador de tensión propuesto.
87
Por lo tanto, la tensión con que se alimentará tanto el circuito de control,
como el circuito de potencia, será de 110 (Vef).
En cuanto al optoacoplador, se utilizará el TLP3042, que tiene como
ventaja, en comparación con los optoacopladores con salida transistor, la nula
necesidad de una fuente de alimentación continua para su funcionamiento. El
TLP3042 solo necesita ser polarizado, para que comience su conducción, la cual
será obtenida de los mismos tiristores de potencia.
La configuración del optoacoplador, que se necesita para transmitir los
pulsos; se muestra en la figura 5-1. Sin perjuicio de lo anterior, debe
considerarse que entre el ánodo y el cátodo del tiristor, se encuentra la conexión
de potencia.
La fuente de alimentación del optoacoplador, representa los pulsos
provenientes del circuito integrado TCA785. Por lo tanto, para cada tiristor su
configuración es la misma.
Como se mencionó anteriormente, el TLP3042, sólo necesita ser
polarizado, para que el optotriac refleje la señal de entrada captada por el
fotodiodo. Para ello se utiliza una red RC compuesta por dos resistencias (R1 y
R2) y un capacitor que cumple la función de fuente de tensión.
Como ya se conoce la configuración que cambiará la propuesta por la
hoja de datos del TCA785, se presenta el circuito de control para el disparo de
dos tiristores alimentados en 110 (Vrms):
Figura 5-1 Configuración del optoacoplador para transmitir los pulsos.
88
Figura 5-2 Control para el disparo de dos tiristores.
89
Una vez probada la configuración en un protoboard, se arma la placa de
control para los tiristores y se realizan las pruebas correspondientes, las cuales
se aprecian en las figuras 5-3, 5-4 y 5-5.
Como se puede observar en la figura 5-3, los pulsos de comando se
encuentran desfasados en 180º o 10 (ms), entre los pines 14 y 15 del TCA785.
Además, en el pin12 se conectó un capacitor, permitiendo que los pulsos tengan
una corta duración. Por otra parte si el pin12 se conecta directamente a tierra,
los pulsos se prolongan desde el disparo (dado por los potenciómetros) hasta los
180º, lo cual puede apreciarse en la figura 5-4, solo a manera de comprobación.
Los pulsos surgen de la comparación entre una señal triangular que es
posible visualizar en el pin10 y una señal continua proveniente del pin11, que es
justamente lo que se muestra en la figura 5-5.
Figura 5-3 Pulsos de comando para dos tiristores, generados por el circuito
integrado TCA 785.
90
Figura 5-4 Tensión de alimentación v/s pulso de disparo para tiristor del
semiciclo positivo.
Figura 5-5 Tensión triangular (pin10) v/s tensión continua (pin11).
91
5.2 CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA PROPUESTO.
Para la construcción del circuito de potencia propuesto, se necesitan los
tiristores, los inductores propuestos y como carga una resistencia.
La resistencia necesaria es de aproximadamente 11 (Ohms), por la cual
va a circular una corriente de 8 (A) efectivos. Para ello se utilizarán tres
resistencias variables de 4.2 (Ohms) cada una, las cuales soportan una corriente
máxima de 12 (A). Esta resistencia variable triple se encuentra disponible en el
laboratorio de Máquinas Eléctricas.
Los inductores utilizados, tienen un valor de 13 (mH) aproximadamente,
por cada tiristor. Para ello se utilizarán 12 inductores de aproximadamente 2.15
(mH) cada uno, los cuales se posicionarán en serie, seis por cada tiristor.
Algunas fotografías mostrando los elementos indicados son las siguientes:
Figura 5-6 Elementos que componen el circuito de potencia propuesto
92
Finalmente, el circuito de control y el circuito de potencia juntos, se
aprecian en la siguiente figura:
Figura 5-7 Circuito graduador de tensión con control por fase experimental.
De izquierda a derecha, se encuentra el circuito de control, y luego los
tiristores, luego las tres resistencias variables de 4,2 (Ohms) cada una, además
en la parte más próxima, los bancos de inductores de 13 (mH)
aproximadamente, para a continuación, visualizar el osciloscopio digital del
Laboratorio de Electrónica de Potencia, utilizado para tomar las formas de onda.
A continuación del osciloscopio se puede observar también el equipo
SAMTE, perteneciente al laboratorio de máquinas eléctricas, utilizado para tomar
muestras de la contaminación armónica, pudiendo apreciarse asimismo, un
ventilador, utilizado solo para evitar el exceso de calor de las resistencias.
93
A continuación se muestra la tensión de salida y la distorsión armónica
total de la corriente de entrada, para un disparo igual al grado de carga (20º):
Figura 5-8 Tensión de entrada (Vr) v/s corriente de entrada (Ir) del graduador
propuesto para un disparo de 20º.
Figura 5-9 Distorsión armónica total de la corriente de entrada del circuito
graduador propuesto para un disparo de 20º
94
Para un disparo menor que el proyectado (app. 5º) se muestran la tensión
de salida y la distorsión armónica total.
Figura 5-10 Tensión de entrada (Vr) v/s corriente de entrada (Ir) del graduador
propuesto para un disparo de 5º
Figura 5-11 Distorsión armónica total de la corriente de entrada del circuito
graduador propuesto para un disparo de 5º
95
Para un disparo mayor que el proyectado (app. 90º) se muestran la
tensión de salida y la distorsión armónica total.
Figura 5-12 Tensión de entrada (Vr) v/s corriente de entrada (Ir) del graduador
propuesto para un disparo de 90º
Figura 5-13 Distorsión armónica total de la corriente de entrada del circuito
graduador propuesto para un disparo de 90º
96
Solo quedan por corroborar, las graficas obtenidas para un rango de
disparo, que va desde los 0º hasta los 180º de cada tiristor, donde se toma
muestra de la distorsión armónica total y la tensión de salida del circuito
graduador propuesto. Es en este punto, donde surge un inconveniente con el
control aplicado, ya que los potenciómetros no pueden barrer la señal para
ángulos menores a los 5º, ni mayores a los 160º. Esto puede deberse a tres
razones: la calidad del circuito integrado, la sensibilidad de los potenciómetros, o
el capacitor que se utiliza en el pin12.
Es por este motivo, que las graficas mostradas a continuación, sólo se
presentan desde los 5º hasta los 155º, aunque no interfiere mayormente en el
objetivo perseguido en este capítulo.
En las primeras dos figuras, se muestran las curvas obtenidas mediante el
Analizador de Señales SAMTE (curva llamada Experim) versus las obtenidas
mediante el programa computacional P-Spice (curva llamada P-Spice).
Disparo v/s THD
0
20
40
60
80
100
120
140
0 20 40 60 80 100 120 140 160
(grados)
THD
(%)
Exper.
P-Spice
Figura 5-14 Distorsión armónica total de la corriente de entrada del circuito
graduador propuesto, obtenida de manera experimental y bajo simulación.
97
Disparo v/s Tensión Salida
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120 140 160
(grados)
Tens
ión
de S
alid
a (rm
s)
Exper.
P-Spice
Figura 5-15 Tensión eficaz de salida del circuito graduador propuesto, obtenida
de manera experimental y bajo simulación.
Disparo v/s Tercera Armónica
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160
(grados)
Terc
era
Arm
ónic
a (0
/1)
Exper.
P-Spice
Mathcad
Figura 5-16 Curvas correspondientes a la tercera armónica de la corriente de
entrada, obtenidas de una manera experimental, mediante simulación y
comprobación teórica, para el circuito graduador propuesto.
98
Disparo v/s Quinta Armónica
0
0,18
0,36
0,54
0,72
0,9
0 20 40 60 80 100 120 140 160
(grados)
Qui
nta
Arm
ónic
a (0
/1)
Exper.
P-Spice
Mathcad
Figura 5-17 Curvas correspondientes a la quinta armónica de la corriente de
entrada, obtenidas de una manera experimental, mediante simulación y
comprobación teórica, para el circuito graduador propuesto.
Disparo v/s Séptima Armónica
0
0,12
0,24
0,36
0,48
0,6
0 20 40 60 80 100 120 140 160
(grados)
Sépt
ima
Arm
ónic
a (0
/1)
Exper.
P-Spice
Mathcad
Figura 5-18 Curvas correspondientes a la séptima armónica de la corriente de
entrada, obtenidas de una manera experimental, mediante simulación y
comprobación teórica, para el circuito graduador propuesto.
99
Disparo v/s Novena Armónica
0
0,064
0,128
0,192
0,256
0,32
0 20 40 60 80 100 120 140 160
(grados)
Nov
ena
Arm
ónic
a (0
/1)
Exper.
P-Spice
Mathcad
Figura 5-19 Curvas correspondientes a la novena armónica de la corriente de
entrada, obtenidas de una manera experimental, mediante simulación y
comprobación teórica, para el circuito graduador propuesto.
En la figura 5-15 se aprecia una mayor diferencia entre las tensiones
eficaces de salida, debido a las resistencias internas de los inductores.
Las últimas cuatro figuras, son las principales componentes armónicas de
la corriente de entrada del circuito graduador propuesto. Se muestran tres curvas
por cada figura, de las cuales la llamada Exper. es la obtenida con el SAMTE, la
curva llamada P-Spice es la obtenida con el programa P-Spice y la última curva
es denominada Mathcad, la cual fue obtenida mediante las ecuaciones
mostradas en el capitulo 4 por el programa Mathcad.
Como conclusión general de las curvas obtenidas, se puede decir que la
curva del circuito real es muy similar a las mostradas en los capítulos anteriores,
que fueron obtenidas por simulaciones y mediante una comprobación
matemática. Entonces, se concluye que el circuito propuesto, cumple con el
objetivo de reducir de manera eficaz, el contenido armónico de un circuito
controlado, como es el caso del graduador de tensión.
CONCLUSIONES
Como se pudo comprobar en los capítulos anteriores, la problemática de
la contaminación armónica es posible solucionarla o al menos reducirla.
Al utilizarse semiconductores controlados, la forma de onda de la corriente
de entrada, se ve recortada de manera abrupta, por lo que se contamina
armónicamente la red o algunos equipos. Es por esto, que al adicionar
inductores en serie a cada tiristor, los cortes abruptos de las formas de onda son
suavizados, con lo cual se disminuye la distorsión.
En general, no hay una gran preocupación por la distorsión armónica que
generan muchos circuitos, debido a que en Chile no existe una norma (sólo
existe una recomendación) que regule dicha contaminación, pero en países
desarrollados, existe tal normativa. Es por ello que el enfoque entregado a este
proyecto, consisten en estudiar un método que permitiese disminuir la distorsión
armónica de los rectificadores monofásicos y de los graduadores de tensión,
como un pequeño aporte al futuro.
La distorsión armónica, proviene de la comparación entre la forma de
onda de la tensión y de corriente en la red de alimentación. La corriente de
alimentación tiene un término sinusoidal y un término exponencial, tanto en el
circuito rectificador monofásico controlado, como en el graduador de tensión con
carga resistiva inductiva, y la tensión de alimentación es sinusoidal. Entonces, de
acuerdo a esa comparación, la distorsión armónica es alta, mientras mayor sea
el disparo.
Al desarrollar las ecuaciones, tanto en capítulo 2, como en el capítulo 3,
se pudo comprobar, que al disparar los tiristores en el mismo ángulo que el
grado de carga, la corriente de entrada es una sinusoide pura, pero desfasada
con respecto a la tensión de alimentación, en el grado de carga. Con esa
condición, la distorsión armónica es la más baja posible.
101
Es por eso, que el incluir inductores en serie a los tiristores, es solo para
igualar el grado de carga con el disparo deseado. Por lo que la ecuación que
refleja el valor de la inductancia serie a adicionar es:
tan( ) CCADIC CC
RL L
w
Si la carga es resistiva pura, la inductancia a adicionar, se debe calcular
de la misma manera, sólo que la inductancia de carga tiene el valor cero en la
ecuación anterior (Lcc = 0).
El problema surge cuando el circuito posee una inductancia de carga muy
grande, o el disparo proyectado es muy pequeño. Aquí sólo se debe calcular el
grado de carga y disparar los tiristores en ángulos cercanos a ese valor, para
contaminar armónicamente de una menor manera.
Para encontrar, las componentes armónicas de la corriente de entrada, de
los circuitos rectificadores controlados y de los graduadores de tensión, se
tropieza con la problemática de que una variable depende de otra, lo que hace
muy difícil evaluar. El ángulo de extinción de corriente, depende del disparo de
los tiristores. Ambas variables son los límites de integración de los coeficientes
pares e impares de la descomposición de Fourier, de la corriente de
alimentación. Gracias al programa computacional Mathcad, las ecuaciones del
capítulo 4 se pudieron evaluar y se obtuvieron las formas de onda, que se
compararon con las curvas obtenidas mediante el programa P-Spice. De estas
figuras sólo se puede decir que las ecuaciones se aproximan muy bien a lo
simulado.
El último punto, es el armado real de uno de los circuitos, para comprobar
que lo simulado y las ecuaciones cumplen con su objetivo. En las curvas
presentadas en el capítulo 5, se puede apreciar, que el circuito real, cumple de
buena manera, con lo obtenido mediante simulaciones (P-Spice) y mediante las
ecuaciones (Mathcad). Sólo existen, pequeñas diferencias entre las curvas, las
102
cuales se deben a que los inductores poseen pequeñas resistencias internas que
no fueron consideradas en los programas computacionales.
Además, para el armado del circuito de control se debe comprar un
circuito integrado TCA 785 de buena calidad. Por experiencia se sugiere la
marca Infinión, ya que este proyecto, primero ocupó esta marca con la cual se
controlaba todo el rango de operación del pulso de disparo de los tiristores.
Luego se utilizó un integrado sin marca, con el cual no se podía controlar los
tiristores, para disparos menores a los 5º y mayores a los 160º. Es por esto, que
las curvas presentadas en el capítulo 5, solo se muestra entre los 5.4º hasta los
160º.
Como conclusión general, se puede decir, que el incluir inductores en
serie a los semiconductores, reducen el contenido armónico de manera efectiva.
Pero surge una problemática: la tensión efectiva de salida decae con respecto al
circuito convencional.
Lo anterior se debe, a que se incluyeron impedancias, en las cuales cae
una pequeña tensión que se resta a la tensión de entrada. Ahora, si la carga
debe tener una tensión de salida mayor que el valor obtenido, una solución
puede ser aumentar la tensión de alimentación, pero los semiconductores deben
sobredimensionarse.
Como último inconveniente, se tiene el costo de los inductores a adicionar,
el cual depende de las características del inductor: capacidad en (mH), corriente
máxima y efectiva que circulará por el inductor y por último tensión máxima que
caerá sobre él.
BIBLIOGRAFÍA
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[2] Domingo Ruiz Caballero, APUNTES DE ELECTRÓNICA DE
POTENCIA, Valparaíso, LEP EIE PUCV 2003.
[3] Domingo Ruiz Caballero, APUNTES DE ARMÓNICOS EN
SISTEMAS DE BAJA TENSIÓN, Valparaíso, LEP EIE PUCV 2003.
[4] Muhammad Rashid, ELECTRÓNICA DE POTENCIA, (Circuitos,
Dispositivos y Aplicaciones), 2da Edición, año 1995, Editorial
Prentice Hall.
[5] J. M. Cano, TCR BASADOS EN COMPENSACIÓN DE POTENCIA
REACTIVA CON BAJA INYECCIÓN DE ARMÓNICOS,
Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Oviedo,
España.
[6] Erick Pizarro V., ANÁLISIS, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
COMPENSADOR ESTÁTICO DE REACTIVO PARA EL EQUIPO
LABVOLT, Informe final de proyecto Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la PUCV, año 2005.
104
[7] L. Ferraris, POSITIVE LINE INDUCTANCE EFFECTS ON THE
HARMONIC CONTENT LIMITING THE SINGLE-PHASE
THYRISTOR RECTIFIER ADOPTABILITY IN THE RESPECT OF
THE LOW FRECUENCY EMC STANDARDS, Dip. Ing. Electtrica
Industriale – Politecnico Di Torino, Italia.
[8] Programa Computacional P-Spice 9.2, Orcad Family Release
[9] Programa Computacional Mathcad 2001 Pro, Mathsoft Apps
[10] www.datasheetcatalog.com
[11] www.tecnicascircuitales.cl
APÉNDICE A
HOJA DE DATOS DEL CIRCUITO INTEGRADO
TCA 785 DE SIEMENS
A-2
APÉNDICE A
HOJA DE DATOS DEL CIRCUITO INTEGRADO TCA 785 DE SIEMENS.
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
A-2
APÉNDICE B
HOJA DE DATOS DEL OPTOACOPLADOR TLP3042
B-2
APÉNDICE B
HOJA DE DATOS DEL OPTOACOPLADOR TLP3042
B-2
B-2
B-2
B-2
B-2
APÉNDICE C
MÉTODO DE IMPRESIÓN DE CIRCUITOS
MEDIANTE EL PAPEL COUCHE
C-2
APÉNDICE C
MÉTODO DE IMPRESIÓN DE CIRCUITOS MEDIANTE EL PAPEL COUCHE.
La construcción del circuito de control, para el disparo de dos tiristores, se
debe llevar el circuito a una placa de cobre. Para ello, se utiliza el método del
papel couche, en el cual se imprime el circuito y luego, se pega en la placa de
cobre mediante calor.
Para traspasar un circuito de un papel a una placa de cobre virgen, se
necesitan los siguientes materiales:
- Programa para realizar circuitos, como el Circuit Market 2000.
- Placa de cobre con las medidas del circuito.
- Lija fina para madera.
- Papel Couche.
- Impresora con Toner.
- Ácido Percloruro Férrico.
- Plancha.
Paso 0:
En primer lugar se debe armar el circuito ya en su versión final, mediante
un programa computacional (o a mano mediante plumón permanente).
Figura C-1 Pistas del circuito de control
C-2
Paso 1:
Lijar la superficie de la placa de cobre con una lija muy fina para mejorar
la adherencia de la tinta.
Paso 2:
Imprimir el circuito en el papel Couche con una impresora de Toner.
Paso 3:
Ubicar boca abajo el papel de cara a la placa de cobre. Luego calentar la
plancha durante algunos minutos y finalmente planchar el papel durante
aproximadamente un minuto.
Paso 4:
Debe dejarse enfriar la placa de cobre, y luego se sumerge bajo el agua
unos 5 a 10 minutos para que el papel se despegue de la placa.
Figura C-2 Cuatro primeros pasos para la impresión de circuitos
C-2
Paso 5:
Sacar la placa del agua y limpiar el papel restante (solo las pistas de tinta
del circuito quedarán adheridas, y si alguna no queda bien definida, repasar con
un plumón permanente).
Paso 6:
Poner la placa boca abajo, sobre el ácido Percloruro Férrico, que de
preferencia debe estar tibio, ya que acelera el proceso (se puede entibiar con
una lámpara cerca del ácido)
Paso 7:
Luego de unos 15 minutos, se saca la placa del ácido. Este actúa sobre
todo el cobre que no tenga tinta.
Paso 8:
Solo se debe lijar suavemente la superficie para sacar toda la tinta o papel
sobrante.
Figura C-3 Cuatro restantes pasos para la impresión de circuitos.
C-2
Como último paso se deben realizar las perforaciones, que permitan la
interconexión de los componentes. Ello se debe realizar con una broca muy fina.
Luego se debe soldar cada componente, para dar término con la construcción
de, en este caso, el control para el disparo de los tiristores.
Figura C-4 Terminaciones del circuito de control.