APPROTE INDIVIDUALTRABAJO COLABORATIVO 1ELECTRNICA INDUSTRIAL

JHORDANY ALVAREZ BOLAOS CODIGO: 1117530992GRUPO: 3299019_7

TUTORNOEL JAIR ZAMBRANO

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAESCUELA DE CIENCIAS BASICAS DE TECNOLOGA E INGENIERA 05 DE ABRIL DEL 2015

Desarrollo Para este trabajo colaborativo propongo disear e implementar un rectificador controlado monofsico a partir de elementos disponibles en el mercado con el fin de realizar un control de fase en voltaje como base para la creacin de un circuito convertidor AC-DC y realizar la respectiva simulacin para el curso de electrnica industrial.

Objetivos generales1. Comprender el principio de funcionamiento y las caractersticas de los rectificadores controlados.

2. Estudiar las caractersticas de operacin y el control de compuerta de los tiristores controlados por fase (o SCR). 3. implementarse un circuito de deteccin de cruce por cero para garantizar el sincronismo con la onda sinusoidal de entrada.4. se debe emplear un microcontrolador el cual deber programarse para garantizar, por un lado el sincronismo con la seal AC de entrada y por otro lado, para que se puedan obtener ngulos de disparo del SCR de 30 y 60.

1. Rectificadores Controlados

Como ya es sabido los diodos rectificadores proporcionan slo un voltaje de salida fijo. Para obtener voltajes de salida controlados, se usan tiristores con control de fase en lugar de diodos. El voltaje de salida de los rectificadores de tiristor se vara controlando el ngulo de retardo . En el siguiente punto se explicara que en el tiristor se activa aplicando un pulso corto a su compuerta y se desactiva por conmutacin natural. Estos rectificadores controlados por fase son sencillos y menos costosos, y su eficiencia es, por lo general, superior al 95%. Como convierten de corriente alterna a corriente directa, a estos rectificadores controlados se le llama tambin convertidores CA-CD.

El objetivo de este trabajo es disear y construir un convertidor controlado CA-CD monofsico para manejar corriente directa. Esta carga es considerada altamente inductiva por lo tanto la corriente que fluye a travs de los tiristores es continua y tiene un rizado despreciable.

Principio de operacin de un semi-convertidor monofsico

El arreglo del circuito de un semi-convertidor monofsico se ve en la Figura 3.1, con una carga altamente inductiva. La corriente de carga es continua. Durante el semiciclo positivo, T1 est polarizado directamente. Cuando T1 se dispara en t=, la carga se conecta a la alimentacin de entrada a travs de T1 y D2 durante el perodo t . Durante el perodo t (+), el voltaje de entrada es negativa y el diodo de libre circulacin Dm (freewheel diode) tiene polarizacin directa, por lo que conduce para proporcionar la continuidad de corriente de la carga inductiva. La corriente de carga se transfiere de T1 y D2 a Dm, y el tiristor T1 y el diodo D2 se desactivan. Durante el semiciclo negativo del voltaje de entrada, el tiristor T2 queda con polarizacin directa y el disparo del tiristor T2 en t=+ invierte la polarizacin de Dm. El diodo Dm se desactiva y la carga se conecta a la alimentacin a travs de T2 y D1.

Durante los perodos 0 t y t (+) no est encendido ninguno de los tiristores por lo tanto no hay alimentacin de entrada. Lo que sucede es que debido a la carga altamente inductiva, en ella se almacena energa y mientras no haya alimentacin esta energa es descargada por medio del Dm que presenta polarizacin directa durante estos perodos, esto proporciona continuidad de corriente en la carga.

Figura 3.1 Circuito semiconvertidor monofsico

La Figura 3.2 muestra las formas de onda del voltaje de entrada, voltaje de salida, las corrientes por T1, T2, D1, D2, corriente de entrada, corriente de salida y la corriente por Dm.

El voltaje promedio de salida se puede calcular con:

y Vcd se puede variar desde 2Vm/ hasta 0, variando de 0 a .

Figura 3.2 Formas de onda.

2. TiristoresSCRs

Un tiristor es un dispositivo semiconductor de potencia. Se usan mucho en circuitos electrnicos de potencia. Se manejan como conmutadores biestables, pasando de un estadono conductor a un estado conductor. Los tiristores son interruptores o conmutadores mideales en muchas aplicaciones.

En comparacin con los transistores, los tiristores tienen menores prdidas por conduccin en estado encendido y mayor manejo de potencia. Por otra parte, los transistores tienen en general mejor funcionamiento en conmutacin, por su mayor velocidad y menores prdidas de conmutacin. Actualmente se hacen progresos continuos para obtener dispositivos con lo mejor de ambos, es decir, bajas prdidas en estado deencendidoymejorfuncionamientoenconmutacin.

Figura2.1Smbolodeltiristorytresunionespn.

Caractersticas de los tiristoresUn tiristor es un dispositivo semiconductor con cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn. Al igual que los diodos, los tiristores tienen terminales nodo y ctodo, sin embargo estos ltimos integran una tercera terminal, denominada compuerta, la cual es utilizada para controlar la operacin del dispositivo. La figura 2.1 muestra el smbolo del tiristor y una seccin recta de tres uniones pn.

Cuando el voltaje del nodo se hace positivo con respecto al ctodo, las uniones J1 y J3 tienen polarizacin directa o positiva. La unin J2 tiene polarizacin inversa, y solo fluir una pequea corriente de fuga del nodo al ctodo. Se dice entonces que el tiristor est n condicin de bloqueo directo o en estado apagado y la corriente de fuga se llama corriente en estado apagado. La resistencia dinmica en estado de bloque es de 100k o ms. Si aumentamos el voltaje de polarizacin inversa VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande, la unin J2 polarizada inversamente entrar en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de avalancha directa VBO. Dado que las uniones J1 y J3 estn polarizadas directamente, hay un flujo libre de portadores a travs de las tres uniones que provocar una gran corriente andica directa. Se dice entonces que el dispositivo est en estado de conduccin o estado de encendido.

En estado encendido, la resistencia dinmica del SCR es tpicamente 0.01 a 0.1 y la cada de voltaje va a ser la cada hmica de las cuatro capas y ser pequea, por lo comn 1V.

La corriente andica debe ser mayor que un valor conocido como corriente de retencin IL, a fin de mantener el flujo necesario de portadores a travs de la unin; de lo contrario, al reducirse el voltaje del nodo al ctodo, el dispositivo regresar a la condicin de bloqueo. La corriente de retencin IL, es la corriente andica mnima requerida para mantener el tiristor en estado de conduccin inmediatamente despus de haberse activado y retirado la seal de la compuerta. En la figura 2.3 se muestra la curva caracterstica v-i del tiristor.

Figura2.2Curvacaractersticav-ideltiristor.

Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conduccin y no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguir conduciendo, porque en la unin J2 no existe una capa que evite el movimiento libre de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente en sentido directo del nodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH , se genera una regin de agotamiento alrededor de la unin J2 debida al nmero reducido de portadores; el tiristor estar entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de retencin IL. La corriente de mantenimiento IH es la corriente andica mnima para mantener el tiristor en estado de encendido.Cuando el voltaje del ctodo es positivo con respecto al del nodo, la unin J2 tiene polarizacin directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarizacin inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a travs de ellos. El tiristor estar en estado de bloqueo y pasar por l una corriente de fuga, conocida como corriente de fuga inversa IR.

Activacin y apagado del tiristorUn tiristor se puede encender aumentando el voltaje VAK en sentido directo a ms de VBO, pero esta forma de encendido podra ser destructiva. En la prctica, el mtodo ms comn para disparar un tiristor es la aplicacin de una corriente de compuerta aplicando un voltaje positivo entre las terminales de la compuerta y el ctodo. De esta forma el voltaje en sentido directo se mantiene menor que VBO dado que al aumentar la corriente de compuerta, disminuye el voltaje de bloqueo en sentido directo. Los niveles de voltaje y corriente de disparo en la compuerta deben tener un rango de valores comprendidos dentro de una zona de disparo de seguridad. Si se sobrepasa ese lmite puede no activarse el tiristor o puede daarse el dispositivo. El valor de la corriente de disparo es del orden de los miliamperios.Una vez encendido el tiristor, la seal de compuerta debe retirarse. La duracin de esta seal vara entre 1 a 3s para tiristores comerciales, aunque para aplicaciones especiales se fabrican tiristores con valores por debajo de los 100ns. Una seal de compuerta continua aumentara la prdida de potencia en la unin de la compuerta. Dado que la corriente andica es mayor que la corriente de retencin IL, el tiristor continuar conduciendo.Un tiristor en estado encendido, se comporta como un diodo conductor, y no hay control sobre el dispositivo. El dispositivo no se puede desactivar mediante otro pulso en la terminal de compuerta. Hay varias tcnicas para apagar un tiristor. En todas las tcnicas de conmutacin la idea es reducir la corriente andica en sentido directo hasta un valor inferior a la corriente de mantenimiento IH.

Aplicaciones de los tiristores SCREsta clase de tiristores suele funcionar a frecuencia de lnea (60Hz) y se apaga por conmutacin natural cuando se trabaja en corriente alterna. El voltaje en estado de encendido vara normalmente desde unos 1.15V para aplicaciones a 600V hasta 2.5V para dispositivos de 4000V. En aos recientes han sido diseados tiristores SCR para controlar potencias tan altas de hasta 10 MW y con valores individuales tan altos como de 5500 A a 1200 V.Debido a su bajo costo, alta eficiencia, robustez y especificacin de alto voltaje y corriente, estos tiristores se usan mucho en los convertidores CA-CD. Tambin se usan en casi todas las transmisiones de CD en alto voltaje y en muchas aplicaciones industriales tales como:

Control de relevadores.Propulsores de velocidad variable.Interruptores estticos.Control de motores.Recortadores, Inversores y Cicloinversores.Cargadores de bateras.Circuitos de proteccin.Control de potencia en calefactores elctricos.

En la mayora de estas aplicaciones mencionadas con anterioridad la idea principal de la utilizacin de tiristores es para regulacin de potencia y para esto se utilizan dos tiristores en anti paralelo para que cada uno conduzca en un ciclo de alternancia. Cuando eltiristor en disparado en el comienzo del ciclo (aproximadamente a 0), los tiristores conducen aproximadamente 360 y esto ocasiona una transmisin de mxima potencia a la carga. En cambio, cuando uno de los tiristores es disparado cerca del pico positivo, los tiristores conducen 180 y esto produce una transmisin menor de potencia a la carga. A travs de ajustes en el circuito de disparo, el accionamiento de los tiristores puede retrasarse y as obtener una transmisin variable de potencia monofsica.

3. CIRCUITODETECTORDECRUCEPOR CERO

La transmisin de sealesdigitalesen la corriente alterna, o AC, es imposible sin la asistencia de un detector de cruce por cero --circuitos elctricos que detectan cuando la corriente alcanza elpuntode cruce por cero de la onda.

Este circuito determina el momento en que la seal alterna corta el eje o cuando el voltaje toma el valor de cero, Esta referencia es necesaria para poder establecer un punto de referencia a partir del cual se dispare el tiristor. En este caso no se detecta la pendiente de la seal alterna puesto que el tiristor se dispara dos veces en el periodo son pero solo conducen cuando esta polarizado en directa, Esto se hace para simplificar este circuito.CIRCUITO DETECTOR DE CRUCE POR CERO

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CIRCUITO DE DISPARO PARA SCR

PULSODECRUCEPORCERO

En la grafica de las seales podemos ver que cuando la seal alterna corta el eje se genera un pulso, producto de la comparacin de una seal alterna rectificada y un nivel de voltaje, el cual controla el ancho del pulso. Este pulso debe ser de corta duracin, para disminuir el error, pero lo suficientemente ancho para que sea reconocido.

GENERADORDERAMPA

Para poder controlar el ngulo de disparo de los SCR es necesario generar una rampa la cual debe estar sincronizada con la seal alterna. La rampa se logra por medio de la carga de un capacitor al cual se le suministra una corriente constante para lograr que sea lineal.

SEAL DE RAMPA

La rampa se compara con una seal DC la cual es modificada por un potencimetro y ambas son colocadas a la entrada de un comparador obtenindose a la salida un pulso ajustable el cual en su transicin de subida determina el disparo del tiristor.

CIRCUITOGENERADORDE PULSOENTRADAALCOMPARADOR

4. Microcontrolador para garantizar el sincronismo con la seal AC de entrada

El presente tem tiene como objetivo explicar el programa que se debe realizar para disparar los tiristores. Como se trat en el tem 2 y 3, los tiristores poseen una tercera terminal, denominada compuerta, la cual es utilizada para controlar la operacin del dispositivo. El control se realiza por medio de un pulso corto a la compuerta. Este pulso se puede activar en cualquier tiempo t = . De esta manera variando el ngulo de retardo se obtiene una regulacin de potencia. Para activar los tiristores es necesario primeramente detectar el cruce por cero de la onda rectificada, para as poder disparar los tiristores en un tiempo t = contado a partir del cruce por cero. La deteccin de cruce por cero se da por medio de un pulso debido a la conmutacin del transistor T3. Este pulso de conmutacin se aprecia en la Figura 5.1 (a)

(a)

(b) Figura 5.1 (a) pulso de conmutacin del transistor T3(b) Onda voltaje rectificado

La onda rectificada mostrada en Figura 5.1 (b) se divide en 256 intervalos o posiciones. Se define el angulo de disparo = controlfase. Este angulo de disparo se vara con dos botones, el primero conectado en el pin AN2 aumenta , el segundo botn conectado en el pin AN3 disminuye . De esta forma se calcula un tiempo t = (eta) definido como: Beta = 255 controlfase Esto aun no es suficiente para activar los tiristores, por lo tanto se define una nueva variable COUNTDOWN, a esta variable se le carga el valor de , COUNTDOWN = . COUNTDOWN es un contador regresivo que avanza por las posiciones de la onda hasta el valor del angulo de disparo . Cuando este contador regresivo llega a cero activa los tiristores.Este es un pequeo ejemplo de las variables de programacin que podemos utilizar.

Sntesis del programa El programa tiene como funcin activar los tiristores en un tiempo t = despus del cruce por cero de la onda rectificada por medio de dos interrupciones. En el modo normal el micro ejecuta el ciclo del programa principal siempre y cuando no ocurra un llamado de alguna interrupcin. En el momento en que se da una interrupcin el micro detiene la ejecucin del programa principal y empieza la ejecucin de la subrutina de interrupcin.

El programa principal calcula el ngulo de disparo definido por los botones de la siguiente manera: Beta = 255 controlfase

Bibliografa

http://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador_controlado_de_siliciohttp://www3.fi.mdp.edu.ar/control403/apuntes/Clase3.pdfhttp://es.slideshare.net/Boytronic/tiristores-caractersticas-aplicaciones-y-funcionamientohttp://www.todopic.com.ar/foros/index.php?topic=4606.0;wap2