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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 1 Laboratorio 1: Aplicación de Circuitos con TRIACs, SCRs y Diodos Daniel A. Molina Giraldo- 811043, Michael Lan Alvarez - 211035 Universidad Nacional De Colombia Sede Manizales. Materia: Electrónica de Potencia. Abstract—En el siguiente trabajo se presenta el desarrollo de la practica 1 donde se implementan circuitos básicos con dispositivos semiconductores no controlados y semicontrolados, para poder realizar el análisis de su funcionamiento. I. INTRODUCCIÓN En este documento se plantea el desarrollo de una practica de laboratorio con el fin de observar el funcionamiento de dispositivos semiconductores no controlados y semicontrolados. Para empezar se implementara un circuito de disparo, el cual activara los dispositivos semiconductores semicontrolados y esta conformado por un circuito generador de rampa como se ve en la figura 1. Fig. 1. Circuito generador de rampa. Ademas de un circuito comparador entre la señal de salida del circuito de la figura 1 y un voltaje de referencia de 12V, este circuito se observa en la figura 2. Fig. 2. Circuito comparador. La salida del circuito comparador nos entrega una señal PWM que nos indica el angulo de disparo de los dispositivos semiconductores. El circuito de potencia se ve en la figura 3, el cual se modificara en dos ocasiones para analizar el funcionamiento del circuito con la implementación de un SCR y un diodo en vez del TRIAC mostrado en la figura. Fig. 3. Circuito de potencia. II. MATERIALES Y MÉTODOS A. Herramientas de Laboratorio Fuente de tensión dc. Transformador 12V. Multímetro. Osciloscopio. Sondas de tensión y corriente para osciloscopio. Resistencias. Condensadores. Amplificadores operacionales LM324, TL084. Protoboard. Diodo 1N5407. Puente rectificador monofásico. SCR C106D. Optoacoplador MOC3021. Triac BT134. B. Herramientas Computacionales Matlab/Simulink. Otro software de simulación: Circuit Maker. Software de osciloscopio: SP107E v302

Electronica de Potencia

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Page 1: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 1

Laboratorio 1: Aplicación de Circuitos conTRIACs, SCRs y Diodos

Daniel A. Molina Giraldo- 811043, Michael Lan Alvarez - 211035Universidad Nacional De Colombia Sede Manizales.

Materia: Electrónica de Potencia.

Abstract—En el siguiente trabajo se presenta el desarrollode la practica 1 donde se implementan circuitos básicos condispositivos semiconductores no controlados y semicontrolados,para poder realizar el análisis de su funcionamiento.

I. INTRODUCCIÓN

En este documento se plantea el desarrollo de una practicade laboratorio con el fin de observar el funcionamientode dispositivos semiconductores no controlados ysemicontrolados.

Para empezar se implementara un circuito de disparo, el cualactivara los dispositivos semiconductores semicontrolados yesta conformado por un circuito generador de rampa como seve en la figura 1.

Fig. 1. Circuito generador de rampa.

Ademas de un circuito comparador entre la señal de salidadel circuito de la figura 1 y un voltaje de referencia de 12V,este circuito se observa en la figura 2.

Fig. 2. Circuito comparador.

La salida del circuito comparador nos entrega una señalPWM que nos indica el angulo de disparo de los dispositivossemiconductores.

El circuito de potencia se ve en la figura 3, el cual semodificara en dos ocasiones para analizar el funcionamientodel circuito con la implementación de un SCR y un diodo envez del TRIAC mostrado en la figura.

Fig. 3. Circuito de potencia.

II. MATERIALES Y MÉTODOS

A. Herramientas de Laboratorio

• Fuente de tensión dc.• Transformador 12V.• Multímetro.• Osciloscopio.• Sondas de tensión y corriente para osciloscopio.• Resistencias.• Condensadores.• Amplificadores operacionales LM324, TL084.• Protoboard.• Diodo 1N5407.• Puente rectificador monofásico.• SCR C106D.• Optoacoplador MOC3021.• Triac BT134.

B. Herramientas Computacionales

• Matlab/Simulink.• Otro software de simulación: Circuit Maker.• Software de osciloscopio: SP107E v302

Page 2: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 2

III. DESARROLLO DEL CIRCUITO

Para obtener el angulo de disparo dado por la señal PWM,se compara la señal rampa con un voltaje de referencia quese calcula de la siguiente manera.

El voltaje máximo de la señal rampa es 3.6V, el cualcorresponde a un angulo de 180, así para los ángulossolicitados de 45, 90 y 135 se realiza una regla de trespara obtener el voltaje correspondiente a cada angulo. Elvoltaje encontrado se ingresa al circuito comparador pormedio de un divisor de voltaje que se implementa con unaresistencia variable, al realizarse la comparación de voltajesse crea una señal cuadrada e ancho variable (PWM).

La carga del circuito se cambia de un bombillo incandes-cente de 60W a una resistencia de 150Ω a 30V por finesprácticos.

IV. PROCEDIMIENTO

A. Análisis con el TRIAC

En esta sección se analizara el funcionamiento del circuitoque se ve en la figura 3 para los diferentes ángulos solicitados

a) Para valores de angulo α = 45 y α = 225

Las ondas de voltaje y corriente de salida tienen formacomo se observa en la figura 4 y la figura 5 respectivamente.

Fig. 4. Voltaje de salida a 45 con TRIAC.

Las ecuaciones del voltaje y corriente de salida son:

vo(t) =

110sen(wt)→ 45 ≤ wt < 180

−110sen(wt)→ 225 ≤ wt < 360

0→∼

Fig. 5. Corriente de salida a 45 con TRIAC.

io(t) =

vo(t)RL→ 45 ≤ wt < 180

−vo(t)RL→ 225 ≤ wt < 360

0→∼Cálculos para el lado DC:

Para el circuito con el TRIAC no se realizan cálculos enDC porque las ondas de salida tienen parte negativa.

Cálculos para el lado AC

• Valor eficaz de la corriente:

Irms =

√√√√ 1

T

∫T

i2(t)dt

Irms =

√√√√√60

8.33ms∫2.09ms

(0.73sen(wt))2dt +

16.7ms∫10.4ms

(−0.73sen(wt))2dt

Irms = 0.492A

• Cálculos de las potencias P,Q,S:

– Potencia s:

S = Vrms ∗ Irms

Vrms =110√

2= 77.78V

Page 3: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 3

Irms = 0.492A

S = 77.78V ∗ 0.492A

S = 38.26V A

– Potencia P:

P =1

T

∫T

P (t)dt→ P (t) = v(t) ∗ i(t)

P (t) = 110sen(wt) ∗ 0.73sen(wt)

P (t) = 80.3sen2(wt)

P = 60

8.33ms∫2.09ms

80.3sen2(wt)dt+

16.7ms∫10.4ms

80.3sen2(wt)dt

P = 36.52W

– Potencia Q:

Q =√S2 − P 2

Q =√

38.262 − 36.522

Q = 11.4V Ar

• Calculo del factor de potencia FP

FP =P

S

FP = 0.95

• Calculo THD de la corriente:

THD =

√I2rms − I2rms−1 − I2dc

Irms−1

Irms = 0.492A

Idc =1

T

∫T

i(t)dt

Idc = 60

8.33ms∫2.09ms

0.73sen(wt)dt−16.7ms∫

10.4ms

0.73sen(wt)dt

Idc = 0

Irms−1 =

√a21 + b21√

2

a1 =2

T

∫T

i(t) cos(wt)dt

b1 =2

T

∫T

i(t)sen(wt)dt

a1 = 120

8.33ms∫2.09ms

0.73sen(wt) cos(wt)dt+

16.7ms∫10.4ms

0.73sen(wt) cos(wt)dt

a1 = −0.115

b1 = 120

8.33ms∫2.09ms

0.73sen2(wt)dt+

16.7ms∫10.4ms

0.73sen2(wt)dt

b1 = 0.66

Irms−1 =

√(−0.115)

2+ (0.66)

2

√2

= 0.473

THD =

√0.4922 − 0.4732 − 02

0.473

THD = 0.286

Page 4: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 4

Los valores anteriormente obtenidos se pueden obtenertambien por medio de la simulacion hecha en la herramientaSIMULINK como se ve en la figura 6.

Fig. 6. Valores a 45 con TRIAC.

b) Para valores de angulo α = 90 y α = 270

Las ondas de voltaje y corriente de salida tienen formacomo se observa en la figura 7 y la figura 8 respectivamente.

Las ecuaciones de las ondas de voltaje y corriente de salidason:

vo(t) =

110sen(wt)→ 90 ≤ wt < 180

−110sen(wt)→ 270 ≤ wt < 360

0→∼

Fig. 7. Voltaje de salida a 90 con TRIAC.

Fig. 8. Corriente de salida a 90 con TRIAC.

io(t) =

vo(t)RL→ 90 ≤ wt < 180

−vo(t)RL→ 270 ≤ wt < 360

0→∼

Cálculos para el lado DC:

Para el circuito con el TRIAC no se realizan cálculos enDC porque las ondas de salida tienen parte negativa.

Cálculos para el lado AC

• Valor eficaz de la corriente:

Page 5: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 5

Irms =

√√√√ 1

T

∫T

i2(t)dt

Irms =

√√√√√60

8.33ms∫4.16ms

(0.73sen(wt))2dt +

16.7ms∫12.5ms

(−0.73sen(wt))2dt

Irms = 0.427A

• Cálculos de las potencias P,Q,S:

– Potencia s:

S = Vrms ∗ Irms

Vrms =110√

2= 77.78V

Irms = 0.427A

S = 77.78V ∗ 0.427A

S = 33.21V A

– Potencia P:

P =1

T

∫T

P (t)dt→ P (t) = v(t) ∗ i(t)

P (t) = 110sen(wt) ∗ 0.73sen(wt)

P (t) = 80.3sen2(wt)

P = 60

8.33ms∫4.16ms

80.3sen2(wt)dt+

16.7ms∫12.5ms

80.3sen2(wt)dt

P = 20.1W

– Potencia Q:

Q =√S2 − P 2

Q =√

33.212 − 20.12

Q = 26.44V Ar

• Calculo del factor de potencia FP

FP =P

S

FP = 0.6

• Calculo THD de la corriente:

THD =

√I2rms − I2rms−1 − I2dc

Irms−1

Irms = 0.427A

Idc =1

T

∫T

i(t)dt

Idc = 60

8.33ms∫4.16ms

0.73sen(wt)dt−16.7ms∫

12.5ms

0.73sen(wt)dt

Idc = 0

Irms−1 =

√a21 + b21√

2

a1 =2

T

∫T

i(t) cos(wt)dt

b1 =2

T

∫T

i(t)sen(wt)dt

a1 = 120

8.33ms∫4.16ms

0.73sen(wt) cos(wt)dt+

16.7ms∫12.5ms

0.73sen(wt) cos(wt)dt

Page 6: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 6

a1 = −0.232

b1 = 120

8.33ms∫4.16ms

0.73sen2(wt)dt+

16.7ms∫12.5ms

0.73sen2(wt)dt

b1 = 0.36

Irms−1 =

√(−0.232)

2+ (0.36)

2

√2

= 0.3

THD =

√0.4272 − 0.32 − 02

0.3

THD = 1.01

Los valores anteriormente obtenidos se pueden obtenertambien por medio de la simulacion hecha en la herramientaSIMULINK como se ve en la figura 9.

c) Para valores de angulo α = 135 y α = 315

Las ondas de voltaje y corriente de salida tienen formacomo se observa en la figura 10 y la figura 11 respectivamente.

Las ecuaciones de las ondas de voltaje y corriente de salidason:

vo(t) =

110sen(wt)→ 135 ≤ wt < 180

−110sen(wt)→ 315 ≤ wt < 360

0→∼

io(t) =

vo(t)RL→ 135 ≤ wt < 180

−vo(t)RL→ 315 ≤ wt < 360

0→∼

Cálculos para el lado DC:

Para el circuito con el TRIAC no se realizan cálculos enDC porque las ondas de salida tienen parte negativa.

Cálculos para el lado AC

• Valor eficaz de la corriente:

Fig. 9. Valores a 90 con TRIAC.

Fig. 10. Voltaje de salida a 135 con TRIAC.

Irms =

√√√√ 1

T

∫T

i2(t)dt

Page 7: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 7

Fig. 11. Corriente de salida a 135 con TRIAC.

Irms =

√√√√√60

8.33ms∫6.25ms

(0.73sen(wt))2dt +

16.7ms∫14.6ms

(−0.73sen(wt))2dt

Irms = 0.18A

• Cálculos de las potencias P,Q,S:

– Potencia s:

S = Vrms ∗ Irms

Vrms =110√

2= 77.78V

Irms = 0.18A

S = 77.78V ∗ 0.18A

S = 14V A

– Potencia P:

P =1

T

∫T

P (t)dt→ P (t) = v(t) ∗ i(t)

P (t) = 110sen(wt) ∗ 0.73sen(wt)

P (t) = 80.3sen2(wt)

P = 60

8.33ms∫6.25ms

80.3sen2(wt)dt+

16.7ms∫14.6ms

80.3sen2(wt)dt

P = 3.6W

– Potencia Q:

Q =√S2 − P 2

Q =√

142 − 3.62

Q = 13.53V Ar

• Calculo del factor de potencia FP

FP =P

S

FP = 0.25

• Calculo THD de la corriente:

THD =

√I2rms − I2rms−1 − I2dc

Irms−1

Irms = 0.18A

Idc =1

T

∫T

i(t)dt

Idc = 60

8.33ms∫6.25ms

0.73sen(wt)dt−16.7ms∫

14.6ms

0.73sen(wt)dt

Idc = 0

Page 8: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 8

Irms−1 =

√a21 + b21√

2

a1 =2

T

∫T

i(t) cos(wt)dt

b1 =2

T

∫T

i(t)sen(wt)dt

a1 = 120

8.33ms∫6.25ms

0.73sen(wt) cos(wt)dt+

16.7ms∫14.6ms

0.73sen(wt) cos(wt)dt

a1 = −0.115

b1 = 120

8.33ms∫6.25ms

0.73sen2(wt)dt+

16.7ms∫14.6ms

0.73sen2(wt)dt

b1 = 0.065

Irms−1 =

√(−0.115)

2+ (0.065)

2

√2

= 0.09

THD =

√0.182 − 0.092 − 02

0.09

THD = 1.73

Los valores anteriormente obtenidos se pueden obtenertambien por medio de la simulacion hecha en la herramientaSIMULINK como se ve en la figura 12.

B. Análisis con el SCR

En esta sección se analizara el funcionamiento del circuitoque se ve en la figura 13 para los diferentes ángulos solicitados

a) Para valores de angulo α = 45 y α = 225

Las ondas de voltaje y corriente de salida tienen formacomo se observa en la figura 14 y la figura 15 respectivamente.

Calculos para el lado DC:

Fig. 12. Valores a 135 con TRIAC.

Fig. 13. Circuito de potencia con SCR.

vo(t) =

110sen(wt)→ 45 ≤ wt < 180

0→∼

io(t) =

vo(t)RL→ 45 ≤ wt < 180

0→∼

Page 9: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 9

Fig. 14. Voltaje de salida a 45 con SCR.

Fig. 15. Corriente de salida a 45 con SCR.

Valor promedio de corriente:

Idc =1

T

∫T

i(t)dt

Idc = 60

8.33ms∫2.09ms

0.73sen(wt)dt

Idc = 0.198A

Potencia P:

P =1

T

∫T

P (t)dt

P (t) = 80.3sen2(wt)

P = 60

8.33ms∫2.09ms

80.3sen2(wt)dt

P = 18.23W

Factor de rizado de corriente:

FRI =

√I2rms − I2dcIdc

Irms =

√√√√ 1

T

∫T

i2(t)dt

Irms =

√√√√√60

8.33ms∫2.09ms

(0.73sen(wt))2dt

Irms = 0.348A

Idc = 0.198A

FRI =

√(0.348)

2 − (0.198)2

0.198

FRI = 1.445 ∗ 100% = 144.5%

Los valores anteriormente obtenidos se pueden obtenertambien por medio de la simulacion hecha en la herramientaSIMULINK como se ve en la figura 16.

b) Para valores de angulo α = 90 y α = 270

Las ondas de voltaje y corriente de salida tienen formacomo se observa en la figura 17 y la figura 18 respectivamente.

Page 10: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 10

Fig. 16. Valores a 45 con SCR.

Calculos para el lado DC:

vo(t) =

110sen(wt)→ 90 ≤ wt < 180

0→∼

io(t) =

vo(t)RL→ 90 ≤ wt < 180

0→∼

Valor promedio de corriente:

Idc =1

T

∫T

i(t)dt

Idc = 60

8.33ms∫4.16ms

0.73sen(wt)dt

Idc = 0.116A

Fig. 17. Voltaje de salida a 90 con SCR.

Fig. 18. Corriente de salida a 90 con SCR.

Potencia P:

P =1

T

∫T

P (t)dt

P (t) = 80.3sen2(wt)

P = 60

8.33ms∫4.16ms

80.3sen2(wt)dt

P = 10.07W

Page 11: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 11

Factor de rizado de corriente:

FRI =

√I2rms − I2dcIdc

Irms =

√√√√ 1

T

∫T

i2(t)dt

Irms =

√√√√√60

8.33ms∫4.16ms

(0.73sen(wt))2dt

Irms = 0.258A

Idc = 0.116A

FRI =

√(0.258)

2 − (0.116)2

0.116

FRI = 1.986 ∗ 100% = 198.6%

Los valores anteriormente obtenidos se pueden obtenertambien por medio de la simulacion hecha en la herramientaSIMULINK como se ve en la figura 19.

c) Para valores de angulo α = 135 y α = 315

Las ondas de voltaje y corriente de salida tienen formacomo se observa en la figura 20 y la figura ?? respectivamente.

Calculos para el lado DC:

vo(t) =

110sen(wt)→ 135 ≤ wt < 180

0→∼

io(t) =

vo(t)RL→ 135 ≤ wt < 180

0→∼

Valor promedio de corriente:

Idc =1

T

∫T

i(t)dt

Fig. 19. Valores a 90 con SCR.

Idc = 60

8.33ms∫6.25ms

0.73sen(wt)dt

Idc = 0.034A

Potencia P:

P =1

T

∫T

P (t)dt

P (t) = 80.3sen2(wt)

P = 60

8.33ms∫6.25ms

80.3sen2(wt)dt

Page 12: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 12

Fig. 20. Voltaje de salida a 135 con SCR.

P = 1.82W

Factor de rizado de corriente:

FRI =

√I2rms − I2dcIdc

Irms =

√√√√ 1

T

∫T

i2(t)dt

Irms =

√√√√√60

8.33ms∫6.25ms

(0.73sen(wt))2dt

Irms = 0.11A

Idc = 0.034A

FRI =

√(0.11)

2 − (0.034)2

0.034

FRI = 3.076 ∗ 100% = 307.6%

Los valores anteriormente obtenidos se pueden obtenertambien por medio de la simulacion hecha en la herramientaSIMULINK como se ve en la figura 21.

Fig. 21. Valores a 135 con SCR.

C. Análisis con el DiodoEn esta sección se analizara el funcionamiento del circuito

que se ve en la figura 22 para los diferentes ángulos solicitados

Como los diodos son semiconductores no controlados, eldisparo de activación no tiene ningún efecto sobre ellos,por lo tanto no se realiza el análisis de los ángulos solicitados.

Las ondas de voltaje y corriente de salida tienen formacomo se observa en la figura 23 y la figura 24 respectivamente.

Calculo en el lado DC:

vo(t) =

110sen(wt)→ 0 ≤ wt < 180

0→ 180 ≤ wt < 360

Page 13: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 13

Fig. 22. Circuito de potencia con Diodos.

Fig. 23. Voltaje de salida con Diodo.

i(t) =

vo(t)RL→ 0 ≤ wt < 180

0→ 180 ≤ wt < 360

Valor promedio de corriente:

I =1

T

∫T

i(t)dt

I = 60

8.33ms∫0ms

0.73sen(wt)dt

I = 0.232A

Calculo de potencia P:

P =1

T

∫T

P (t)dt

Fig. 24. Corriente de salida con Diodo.

P (t) = 80.3sen2(wt)

P = 60

8.33ms∫0ms

80.3sen2(wt)dt

P = 20.07W

Calculo de factor de rizado de corriente:

FRI =

√I2rms − I2dcIdc

Irms =

√√√√ 1

T

∫T

i2(t)dt

Irms =

√√√√√60

8.33ms∫0ms

(0.73sen(wt))2dt

Irms = 0.365A

Idc = 0.232A

FRI =

√(0.365)

2 − (0.232)2

0.232

Page 14: Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - SEDE MANIZALES 14

FRI = 1.214 ∗ 100% = 121.4%

Los valores anteriormente obtenidos se pueden obtenertambien por medio de la simulacion hecha en la herramientaSIMULINK como se ve en la figura 25.

Fig. 25. Valores con Diodo.

V. CONCLUSIONES

• El modelamiento de un sistema resulta fundamental comoetapa de diseño de este, ya que permite observar, predeciry corregir posibles errores antes de una implementaciónfísica de este, lo cual puede ahorrar esfuerzos y costos almomento practico.

• Analizar la respuesta del sistema ante las ya mencionadasexcitaciones resulta útil para establecer ciertos parámetrosde funcionamiento y respuestas que muy seguramente severán al momento de tener el sistema en funcionamiento.

• Se observó el comportamiento de los dispositivos semi-conductores en un circuito con fuentes de AC para poderconvertirlo en un circuito con salida DC.

• Se logró de proporcionar un control sobre el sistema RMSen la carga del sistema y de la potencia proporcionada aésta, mediante los semiconductores semicontrolados.

VI. BIBLIOGRAFIA

REFERENCES

[1] http://es.slideshare.net/betsyza/rectificadores-13687981[2] http://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador_trif%C3%A1sico[3] http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Eltriac.php[4] http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Eltiristor.php