El siguiente proyecto es un rectificador trifásico controlado, también conocido como convertidor trifásico ac cc. Está compuesto por 6 tiristores, 2 tiristores por cada fase. El diagrama básico se muestra a continuación.
La principal característica de un rectificador trifásico totalmente controlado es que maneja dos cuadrantes, es decir que puede dar energía a la carga, y tambien la puede recibir de la carga, diferente a un rectificador trifásico semicontrolado en donde solo se puede dar energía a la carga. Para el caso de cargas resistivas el máximo alfa que se puede manejar es de 120 grados. Las señales de control se muestran a continuación.
Las señales de control son PWMs sincronizados con la linea. Entre todas las señales PWM hay un desfase de 60 grados. Las señales de salida son las siguientes.
Para poder observar las señales VX y VY, se deben colocar los canales X y Y del osciloscopio en los extremos de la carga, y tomar como referencia el neutro. A continuación se muestran los componentes, el circuito y cosas a tener en cuenta para realizar el montaje de un rectificador trifásico totalmente controlado.
Descarga la simulación en proteus 7.9 de Rectificador trifásico de onda completa controlado
Descarga la simulación en proteus 8.3 de Rectificador trifásico de onda completa controlado
Componentes
– 10 resistores de 10kΩ @ 0.25w- 3 resistores de 1kΩ @ 0.25w- 1 resistor de 100Ω @ 0.25w
– 3 resistores de 680Ω @ 0.25w.- 1 potenciómetro de 10kΩ- 1 capacitor cerámico de 100nF- 6 capacitores electrolíticos de 1uF @ 16v.- 6 optoacopladores PC817- 2 CI LM324 (cada CI contiene 4 amplificadores operacionales)
– 3 diodos 1n4007- 6 transistores 2N2222A- 3 fusibles de 3 amperios- 1 fuente de 12 voltios aislada.- 1 carga resistiva de 200w- El resistor R1 en caso de trabajar con voltajes de fase 115/120/127 vac es de 51kΩ @ 2w, en caso de trabajar con voltajes de fase 200/208/220 vac es de 100kΩ @ 3w.- El resistor R2 es de 8.2kΩ @ 0.25w en caso de trabajar a 60Hz, y en caso de trabajar a 50Hz es de 10kΩ @ 0.25w.- La referencia de los SCRs en caso de trabajar con voltajes de fase 115/120/127 vac es TYN612, en caso de trabajar con voltajes de fase 200/208/220 vac es TYN1012.
– El valor de la resistencia R3 es de 1.2kΩ @ 0.25w en caso de trabajar con voltajes de fase de 115/120/127 vac y de 2.2kΩ @ 0.25w en caso de trabajar con 200/208/220 vac.
– Los optotriac usados son el MOC3021 en caso de trabajar con voltajes de fase de 115/120/127 vac y el MOC3052 en caso de trabajar con voltajes de fase de 200/208/220 vac.
Circuito
El símbolo GND del circuito representa específicamente el negativo de la fuente dc y nada más, no tiene nada que ver con la tierra fisica (polo a tierra).
Cosas a tener en cuenta
– Tener sumo cuidado, pues se manejan voltajes relativamente altos. Si no tiene los conocimientos, y no se siente en la capacidad de realizarlo, mejor no lo haga.- De ser posible descargue la simulación realizada en proteus, ya que esta le quitara varias dudas respecto al montaje y funcionamiento del circuito.- Montar parte por parte e ir probando una por una, de conectarse algo mal el rectificador trifásico funcionara mal.- Conectar las señales de control en donde corresponde, de colocarse mal el rectificador trifásico funcionara de manera incorrecta.- La fuente dc de 12 voltios debe ser aislada, es decir deben tener transformador.- La resistencia de 100 ohmios que está en serie con el potenciómetro es opcional, se puede reemplazar por un corto circuito.- A cada SCR colocarle su respectivo disipador.- Como carga se pueden usar bombillos incandescentes conectados en serie.- En caso de no encontrar alguno de los componentes, reemplazarlo por uno de características similares.
Video de Funcionamiento
En el video se puede observar una placa electrónica de un rectificador trifásico controlado con su respectiva señal de salida. El circuito básico de este rectificador es el mismo que se muestra en el diagrama anterior.
Simulación en proteus
En el canal A está la señal de salida. En los canales B, C, y D están las señales de control PWM_A+, PWM_B+, y PWM_C+ respectivamente.
Este tipo de rectificador permite variar el voltaje promedio de salida, empleando para su funcionamiento tiristores de potencia con los cuales se puede variar el ángulo de disparo y por ende la potencia entregada a la carga. Los tiristores se disparan a un intervalo de π/3. La frecuencia del rizo de voltaje en la salida es seis veces la frecuencia de la fuente de entrada (6fs), y el filtrado resulta menos complejo en comparación con el de los convertidores de media onda ya que este presenta menos rizo en el voltaje de salida.
Cuando wt=(π/6+α), el tiristor T6 ya está conduciendo, y el tiristor TI se activa. Durante el intervalo (π/6+α) ≤ wt ≤ (π/2+α), los tiristores TI y T6 conducen y aparece el voltaje de línea a línea Vab = Van – Vbn a través de la carga. Cuando wt =(π/2+α), se dispara el tiristor T2 y de inmediato el tiristor T6 se polariza en sentido inverso. T6 se desactiva por conmutación natural. Durante el intervalo (π/2+α)≤ wt ≤(5π/6+α) conducen los tiristores TI y T2 Y aparece el voltaje de línea a línea Vac a través de la carga. Si se numeran los tiristores como se indica en la figura del circuito rectificador trifásico controlado, la secuencia de disparo es 1-2,2-3,3-4,4-5,5-6 y 6-1.
Circuito de un Rectificador controlado de 6 pulsos
Formas de onda del voltaje de entrada, voltaje de salida, corriente de entrada y corriente de salida a través de los tiristores
El voltaje promedio de salida se puede determinar mediante:{\displaystyle {\begin{array}{c}V_{DC}={\frac {3}{\pi }}\int _{wt=\pi /6+\alpha }^{\pi /2+\alpha }{\sqrt {3}}V_{m}\sin \left(wt+{\frac {\pi }{6}}\right)d(wt)\\V_{DC}={\frac {3{\sqrt {3}}}{\pi }}V_{m}\cos(\alpha )\\V_{DC}={\frac {3{\sqrt {2}}}{\pi }}V_{LL}\cos(\alpha )\end{array}}}
Donde α es el ángulo de disparo
El valor rms del voltaje de salida está dado por:{\displaystyle {\begin{array}{c}V_{rms}{\sqrt {{\frac {3}{\pi }}\int _{wt=\pi /6+\alpha }^{\pi /2+\alpha }\left[{\sqrt {3}}V_{m}\sin \left(wt+{\frac {\pi }{6}}\right)\right]^{2}d(wt)}}\\V_{rms}=\left({\frac {1}{2}}+{\frac {3{\sqrt {3}}}{4\pi }}\cos(2\alpha )\right)^{1/2}{\sqrt {3}}V_{m}\\V_{rms}=\left({\frac {1}{2}}+{\frac {3{\sqrt {3}}}{4\pi }}\cos(2\alpha )\right)^{1/2}{\sqrt {2}}V_{LL}\end{array}}}
![{\begin{array}{c}V_{{rms}}{\sqrt {{\frac {3}{\pi }}\int _{{wt=\pi /6+\alpha }}^{{\pi /2+\alpha }}\left[{\sqrt {3}}V_{m}\sin \left(wt+{\frac {\pi }{6}}\right)\right]^{2}d(wt)}}\\V_{{rms}}=\left({\frac {1}{2}}+{\frac {3{\sqrt {3}}}{4\pi }}\cos(2\alpha )\right)^{{1/2}}{\sqrt {3}}V_{m}\\V_{{rms}}=\left({\frac {1}{2}}+{\frac {3{\sqrt {3}}}{4\pi }}\cos(2\alpha )\right)^{{1/2}}{\sqrt {2}}V_{{LL}}\end{array}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f7660bf58657e527da0281266d794042e939df55)
Secuencia de disparo
La secuencia de disparo es la siguiente:
- Generar un pulso de señal en el cruce del voltaje de fase Van con cero. Retardar el pulso en el ángulo deseado (α + π/6) y aplicarlo a las terminales de compuerta y cátodo de T1 a través de un circuito excitador de compuerta.
- Generar cinco pulsos más, cada uno retardado π/6 respecto al anterior, para disparar T2, T3,…, T6, respectivamente, mediante circuitos excitadores de compuerta
Rectificador trifásico de doce pulsos
Circuito y formas de onda de un rectificador trifásico de doce pulsos
Un puente trifásico produce un voltaje de salida de seis pulsos. Para aplicaciones con grandes potencias, como por ejemplo transmisión de CC de alto voltaje (HVDC), y para impulsores de CC para motores, se requiere en general una salida de doce pulsos para reducir los rizos en la salida, y para aumentar las frecuencias de los mismos. Se pueden combinar dos puentes de seis pulsos, sea en serie o en paralelo, para producir una salida con 12 pulsos efectivos. Para el circuito del convertidor se puede obtener un desplazamiento de fase de 30° entre los devanados secundarios, conectando un secundario en estrella (Y) y el otro en delta (Δ). Con este rectificador se puede llevar a cabo una reducción mayor de armónicos de salida, que en un rectificador de 6 pulsos. Mediante una conexión en serie la tensión total de salida es la suma de las salidas de los dos puentes de seis pulsos. Los ángulos de disparo de los puentes suelen ser iguales.{\displaystyle V_{DC}={\frac {6{\sqrt {2}}}{\pi }}V_{LL}\cos(a)}
Armónicos
La siguiente serie de Fourier representa las corrientes de las líneas de alterna que alimenta el transformador Y –Y{\displaystyle i_{Y}={\frac {2{\sqrt {3}}}{\pi }}I_{0}(\cos \omega _{0}t-{\frac {1}{5}}\cos 5\omega _{0}t+{\frac {1}{7}}\cos 7\omega _{0}t-{\frac {1}{11}}\cos 11\omega _{0}t+{\frac {1}{13}}\cos 13\omega _{0}t-\ldots )}
La siguiente serie de Fourier representa las corrientes de las líneas de alterna que alimenta al transformador Y – Δ{\displaystyle i_{\Delta }={\frac {2{\sqrt {3}}}{\pi }}I_{0}(\cos \omega _{0}t+{\frac {1}{5}}\cos 5\omega _{0}t+{\frac {1}{7}}\cos 7\omega _{0}t-{\frac {1}{11}}\cos 11\omega _{0}t+{\frac {1}{13}}\cos 13\omega _{0}t+\ldots )}
Las series de Fourier de las dos corrientes son similares, aunque algunos términos son de signos opuestos. La siguiente es la serie de Fourier de la corriente del sistema de alterna, que es la suma de dichas corrientes del transformador.{\displaystyle i_{ca}(t)=i_{Y}+i_{\Delta }={\frac {4{\sqrt {3}}}{\pi }}I_{0}\left(\cos \omega _{0}t-{\frac {1}{11}}\cos 11\omega _{0}t+{\frac {1}{13}}\cos 13\omega _{0}t\ldots \right)}
Por lo tanto algunos de los armónicos de la parte alterna se anulan utilizando el esquema de doce pulsos en lugar del esquema de seis pulsos. Los armónicos que permanecerán en el sistema de alterna son de orden 12k ± 1. al utilizar esta configuración de transformador y convertidor se ha producido la anulación de los armónicos de orden 6(2n– 1) ± 1.
503 Cuaderno Digital de Saul Najera 