rectificador 2-.

SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE CONTROL Y POTENCIA

1 Introducción

En el mundo industrial hay aplicaciones en las que se requiere una fuente de alimentación de corriente continua a partir de la red eléctrica alterna trifásica a 50 Hz. Los circuitos encargados de realizar esta conversión son los llamados rectificadores. Se pueden distinguir dos tipos: rectificadores controlados y rectificadores no controlados. Los rectificadores

no

controlados

están

formados

exclusivamente

por

diodos.

Los

semiconductores van entrando en corte y conducción de una forma natural, debido a las tensiones de entrada. La relación entre la tensión continua de salida y el valor eficaz de la señal de entrada se mantiene pues constante. Las ventajas de estos circuitos son su sencillez y fiabilidad, ya que no necesitan circuitos adicionales de control y mando. Las limitaciones de estos rectificadores son que trabajan solamente en el primer cuadrante y proporcionan un gran contenido de de armónicos a la corriente de línea línea de la red trifásica. trifá sica. Los rectificadores controlados están formados por tiristores. Estos entran en conducción de forma controlada y salen de ésta de modo natural cuando la corriente en ellos pasa por cero. En estos rectificadores la tensión de salida puede controlarse y tomar valores positivos o negativos, es decir, estos convertidores pueden trabajar en dos cuadrantes. Un inconveniente de este tipo de rectificadores es que necesitan circuitos

específicos de de disparo disparo para par a los

tiristores, tirist ores, lo que les hace más complejos complejos y menos fiables. En esta práctica, se va realizar el montaje de un rectificador monofásico semicontrolado de onda completa. Es un recitificador semicontrolado porque está formado por dos diodos y dos tiristores. Para el control de los tiristores se utilizará el circuito integrado TCA785. A lo largo de la práctica se profundizará en el estudio del circuito TCA785, realizando un modelado de éste por software con el programa Pspice. Posteriormente, se harán 1

RECTIFICADOR MONOFÁSICO SEMICONTROLADO simulaciones para diferentes tipos de cargas resistivas, inductivas y capacitivas. Al final se hará el montaje en en el laboratorio labora torio de un rectificador monofásico monofásico semicontrolado semicontrolado usando el TCA785.

2 Conceptos previos En este apartado se describen muy brevemente algunos de los conceptos básicos sobre rectificación.

2.1 Rectificación no controlada En la rectificación no controlada se emplean diodos como elementos rectificadores. Estos dispositivos cambian de corte a conducción de forma natural cuando se les aplica una tensión que les polarice en inverso o directo respectivamente. Al no haber semiconductores controlados no hay circuito de mando, por lo que la simplicidad y la fiabilidad de estos equipos es muy grande. La tensión media en la carga vale: Um =

2q π  E  p sen q π



siendo q el número de fases del sistema y Ep el valor de pico de la tensión de fase. En la figura 1 se puede observar la tensión de red y la de salida de un rectificador monofásico con carga resistiva o inductiva:

Figura 1. Tensión de red y de salida de un rectificador no controlado

2.2 Rectificación controlada controlada Con este tipo de rectificadores es posible obtener una tensión continua variable. Además  pueden operar de forma reversible, cediendo cediendo energía a la red, denominándo denominándose se entonces, inversores no autónomos. Su elemento de base es el tiristor y el control de éste se efectúa 2

SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE CONTROL Y POTENCIA retardando su disparo un tiempo

α/ω a partir del instante que la tensión ánodo-cátodo se hace

 positiva. La tensión media en la carga vale:

Um

=

2q π

 E  p sen

π

q

cos α



α>π/2 el montaje funciona como inversor no autónomo. En la figura 2 se puede ver la tensión en la carga para el caso monofásico y α=45º con carga inductiva. En la figura 3, se Para

han representado la tensión en la carga y las tensiones de fase para un sistema trifásico con carga inductiva y ángulo de disparo=30º.

Figura 2. Tensión de red y de salida de un rectificador totalmente controlado

Figura 3. Tensiones de fase y de salida en un rectificador trifásico

3

RECTIFICADOR MONOFÁSICO SEMICONTROLADO

2.3 Rectificación semicontrolada Los montajes semicontrolados están formados por q diodos y q tiristores. Normalmente los tiristores se conectan con los cátodos comunes y los diodos con los ánodos comunes. Estos rectificadores no pueden funcionar como inversores no autónomos ya que la tensión media de salida siempre es positiva y tiene un valor:

Um =

2q π 1 + cosα  E  p sen π q 2



α es el ángulo de disparo de los tirist ores. Existen intervalos en los que la tensión instantánea de salida se hace nula, al conducir un tiristor y un diodo de una misma fase. Las ventajas de este rectificador son su sencillez en cuanto a los circuitos de control y mando, y una mejora del factor de potencia con respecto a los circuitos totalmente controlados. En la figura 4 se puede observar la tensión de salida y la tensión de red en un rectificador  monofásico, con α=45º para carga resistiva o inductiva:

Figura 4. Tensión de red y de salida de un rectificador semicontrolado

2.4 Necesidad de aislamiento en los circuitos de control La necesidad de aislamiento en los circuitos de control para sistemas de potencia, puede verse claramente en el diagrama de la figura 5: En general, la mayoría de los sistemas electrónicos industriales se alimentan de una tensión continua obtenida mediante la rectificación con un

4

SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE CONTROL Y POTENCIA  puente de diodos de la tensión alterna de la red eléctrica. En los ciclos positivos de la tensión de red, el punto A estará a 220 Vef respecto al cable neutro de la instalación. En los semiciclos negativos, el punto B será el que se encuentre a 220 Vef respecto al neutro. En todas las instalaciones electrotécnicas de baja tensión, el conductor neutro está unido al conductor de protección o cable de tierra. Por lo tanto, en el sistema de potencia, los puntos A y B cambian de polaridad respecto a tierra cada 20 ms. Las señales procedentes de los circuitos de control suelen ser valores digitales, así pues, si el circuito de control no está aislado eléctricamente de tierra, se pueden poner en contacto puntos con una diferencia de  potencial muy elevada, produciéndose cortocircuitos peligrosos. Si en la figura 5 se aisla el circuito de control de la masa del sistema, el problema anterior  desaparece. Habitualmente se emplean tres métodos para conseguir el aislamiento:

Figura 5. Sistema de potencia

- Optoacopladores - Fibra óptica - Transformadores de aislamiento Un optoacoplador consiste en un diodo emisor de luz (LED), un transistor de salida y un disparador Schmitt. El diodo y el transistor de salida están aislados eléctricamente. Una señal que polarice en directo al LED, provoca una emisión de luz que es enfocada a una región de la base del transistor. La luz en la base genera un conjunto elevado de pares de electroneshuecos que hacen que el transistor se sature, cambiando el estado del disparador Schimtt de salida. En esta práctica se usarán los optoacopladores 4N25. La fibra óptica proporciona un aislamiento mucho mejor que los optoacopladores, pues la distancia entre el LED y el transistor es mucho mayor en este caso, con lo que se evitan  problemas asociados a la capacidad existente entre el cátodo del LED y el emisor del transistor de los optoacopladores, que puede hacer cambiar de estado al disparador Schmitt.

5

RECTIFICADOR MONOFÁSICO SEMICONTROLADO En la figura 6 aparece un circuito típico con transformador de aislamiento para poner en conducción a un tiristor. Haciendo conducir al MOSFET con un pulso de puerta, se crea una corriente en el primario transferida al secundario, que obliga a conducir al

diodo D1,

 proporcionando la corriente de puerta al tiristor. Cuando se corta al MOSFET, al no poder  variar bruscamente el flujo en el transformador, la corriente magnetizante en el primario se disipa en la resistencia Rg y el diodo D2. La función del diodo D1 es evitar que la posible corriente magnetizante del secundario provoque una corriente negativa de puerta al tiristor.

Figura 6. Circuito de disparo para MOSFET

Para asegurar un disparo efectivo del tiristor, el pulso de corriente de puerta debe tener una duración superior a unos valores dados por el fabricante a diferentes temperaturas. En la figura 7 se puede apreciar la característica Vgk (tensión puerta cátodo), Ig( corriente de  puerta) a diferentes temperaturas y la intersección con la recta de carga del circuito disparador. Para asegurar la conducción del tiristor, los puntos de corte (Ig1,Ig2) deben ser  superiores a los valores mínimos dados por el fabricante.

Figura 7. Curvas Vgk-Ig en función de la temperatura

2.5 El circuito TCA785 El circuito integrado TCA 785 se emplea habitualmente en circuitos rectificadores controlados, ya que es capaz de proporcionar las señales necesarias para poner en conducción 6

SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE CONTROL Y POTENCIA tiristores con un ángulo de disparo controlado. La figura 8 muestra como se generan los  pulsos de disparo:

Figura 8. Generación de la onda en diente de sierra

A partir de la red alterna senoidal, se genera una onda en diente de sierra sincronizada con la red en los instantes de paso por cero. Esta señal se compara con una tensión de control Vc de tal forma que en el momento en que la rampa supera a Vc, se produce un pulso de tensión desplazado en el tiempo un ángulo

α  respecto del

paso por cero de la señal senoidal. Este

 pulso servirá para inyectar una corriente de puerta al tiristor. Un diagrama de bloques del interior del integrado aparece en la figura 9

Figura 9. Diagrama de bloques del TCA785

7

RECTIFICADOR MONOFÁSICO SEMICONTROLADO El patillaje del integrado se muestra en la figura 10.

Pin

Símbolo

Función

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

GND /Q2 QU /Q1 VSYNC Inh QZ VREF R 9 C10 V11

12 13 14 15 16

C12 L Q1 Q2 Vs

Masa Salida 2 invertida Salida U Salida 1 invertida Voltaje de sincronización Entrada de inhibición Salida Z Tensión de referencia Generación de rampa Generación de rampa Entrada de tensión de control Extensión de pulso Extensión de pulso Salida 1 Salida 2 Tensión de alimentación

Figura 10. Patillaje del TCA 785 A continuación se detalla la función de cada pin: Pin 5: Vsync Esta es la señal a partir de la cual se sincroniza la onda en diente de sierra en los pasos por  cero, para generar los pulsos de disparo; el fabricante acota su valor máximo a 75 mV.  Normalmente la señal de sincronización se obtiene de la red alterna a 220 Vef, por lo tanto, hay que adaptar los niveles de tensión. Una forma es conectando a la red una resistencia de valor muy elevado (MΩ ) en serie con dos diodos en antiparalelo. Pin 9,10:R9,C10 La rampa sincronizada con Vsync se genera por medio de una fuente de corriente que carga al condensador C10. El valor de esta corriente viene dado por:

 I 

=

Vref  ⋅ 1.1  R9



El valor de R9 debe estar comprendido entre 3K y 300 K. C10 debe estar comprendido entre 500 pF y 1 uF. El valor de pico de la rampa vale:

Vpico 8

=

Vref  ⋅ 1.1Tred  2 ⋅ R9 ⋅ C 10



SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE CONTROL Y POTENCIA Pin 8: Vref  En este pin hay una tensión continua de referencia de 3.1 V de valor típico. Pin 11: Vcontrol Variando el nivel de esta tensión se consigue regular el ángulo de disparo a los tiristores. Este ángulo vale:

ϕ ( seg )

=

Vcontrol ⋅ R9 ⋅ C 10



1.1 ⋅ Vref 

Los valores límite de Vcontrol son 225 mV