Simulación de Circuitos Electrónicos de Potencia Con PSPICE

Simulacin de Circuitos Electrnicos de Potencia

con PSPICEEmilio Figueres Am ors

Jos Manuel Benavent Garca Gabriel Garcer Sanfeliu

CORTESIA DE ALFAOMEGA

A Alfaomega UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA

PRLOGO

El anlisis de circuitos electrnicos m ediante herram ientas inform ticas de sim ulacin ha alcanzado un gran auge en las ltim as dos dcadas, convirtindose en una etapa prcticam ente indispensable en el proceso de diseo de circuitos electrnicos de cualquier tipo.

En efecto, la trem enda flexibilidad y fiabilidad de los actuales program as inform ticos de sim ulacin perm ite disear y verificar circuitos antes de su m ontaje y ensayo en el laboratorio, con resultados sorprendentem ente sim ilares a los que se obtienen en el prototipo real.

En el cam po de la electrnica de potencia, dentro del cual la construccin de prototipos es especialm ente costosa tanto desde el punto de vista econm ico como tem poral (horas a invertir en el m ontaje), la sim ulacin previa m ediante un program a inform tico se revela extraordinariam ente til, al poder investigar la influencia de cualquiera de los com ponentes del circuito sobre su com portam iento sin tener que proceder a tediosas y, en ocasiones, arduas labores \ie m ontaje.

En esa m ism a lnea, la sim ulacin inform tica perm ite com prender de una form a sencilla de qu m anera afectan al funcionam iento del circuito los elem entos parsitos del m ism o, tales com o la resistencia e inductancia de los cableados, las capacidades intrnsecas entre las espiras de transform adores e inductores, etc. Estos elem entos suelen dejarse de lado en los estudios prelim inares por la com plejidad que aaden al anlisis y, sin em bargo, son responsables de ciertos fenm enos (los m s graves, sobretensiones y sobrecorrientes) que pueden provocar el mal funcionam iento de los com ponentes e incluso su destruccin.

El espritu del presente texto es introducir al lector en el apasionante m undo de la electrnica de potencia a travs de la sim ulacin por ordenador, guindole m ediante ejem plos resueltos y anotaciones tericas que facilitan, a nuestro ju ic io , la labor de com prensin de los resultados de las sim ulaciones que se efectan. A sim ism o, se han intercalado a lo largo de la obra num erosas actividades sin resolver para que el lector pueda profundizar en el estudio de los circuitos analizados.

El softw are elegido de entre los disponibles en el m ercado ha sido, por su extensa difusin y utilizacin, la versin 8.0 de evaluacin del program a de sim ulacin electrnica PSPICE. L a copia y la distribucin de las versiones de evaluacin no slo no est prohibida, sino que es apoyada por la firm a responsable del soft-

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PRLOGO

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ware, la em presa estadounidense M icrosim C orporation. Para solicitar una copia gratuita del program a se puede acceder a la pgina W eb de M icrosim , localizada en la siguiente direccin: http:Wwww.microsim.com.

La obra se ha dividido en cinco captulos, dedicados cada uno de ellos a las principales fam ilias de convertidores electrnicos de potencia.

En los captu los 1 y 2 se estudian, respectivam ente, los circuitos rectificadores en sus versiones no controlada (diodos) y controlada (tiristores), haciendo nfasis en los efectos de este tipo de convertidores sobre las redes de distribucin elctrica.

Los captu los 3 y 4 se dedican al estudio de los conversores conm utados con y sin aislam iento, poniendo de m anifiesto las principales caractersticas de la etapa de potencia de este tipo de circuitos.

Finalm ente, el captu lo 5 trata la conversin de continua a alterna (circuitos inversores), de creciente inters en la industria por constitu ir el ncleo de equipos variadores de frecuencia destinados al control de m otores de corriente alterna y sistem as de alim entacin ininterrum pida (S A Is).

Emilio Figueres Amors

Jos M. Benavent Garca

Gabriel Garcer Sanfeliu

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CONTENIDO

C A P T U L O 1. R e c t i f ic a d o r e s n o c o n t r o l a d o s .................................................. 7

1.1 In troduccin .................................................................................................................... 9

1.2 R ectificador de m edia onda con carga inductiva................................................ 9

1.3 R ectificador m onofsico en p u e n te ........................................................................ 13

1.4 R ectificador m onofsico duplicador de ten s i n .................................................. 25

1.5 E fectos de los rectificadores m onofsicos en lneas trif sicas....................... 27

1.6 R ectificadores tr if s ico s ............................................................................................. 34

1.7 Efectos de las inductancias de red sobre la conm utacin de c o rr ie n te 42

1.7.1 R ectificadores m o n o fs ico s.......................................................................... 44

1.7.2 R ectificadores trif sico s................................................................................. 46

1.8 R ectificacin de form as de onda no s in u so id a le s ................................................. 48

C A P T U L O 2 . R e c t i f ic a d o re s c o n t r o l a d o s ......................................................... 57

2.1 In troduccin ................................................................................................................... 59

2.2 M odelizacin del t i r is to r ........................................................................................... 59

2.3 Principios de funcionam iento del t ir is to r ............................................................. 61

2.4 R ectificador m onofsico en p u e n te ........................................................................ 632.4.1 Influencia de L r ................................................................................................ 69

2.4.2 Funcionam iento con cargas no ideales...................................................... 702.4.3 Funcionam iento com o inverso r.................................................................... 72

2.4.4 R ectificador m onofsico sem icontro lado................................................. 74

2.5 R ectificadores T rifsicos........................................................................................... 752.5.1 Funcionam iento con carga ideal.................................................................. 762.5.2 Influencia de las inductancias de lnea ...................................................... 80

2.5.3 Funcionam iento con carga R L E .................................................................. 822.5.4 O tros tipos de rectificadores trifsico s...................................................... 84

2.5.4.1 R ectificador sem icon tro lado .......................................................... 852.5.4.2 R ectificador de 12 p u lso s ................................................................ 87

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CONTENIDO

CAPTULO 3. Conversores DC-DC conmutados.................................... 89

3.1 Control de conversores DC-D C por P W M ............................................................ 923.1.1 M odelizacin en Pspice de interruptores controlados y del

m odulador P W M ............................................................................................... 94

3.2 El conversor Buck (reductor de ten s i n )................................................................ 983.2.1 Influencia de la resistencia serie del co n d en sad o r.................................. 105

3.3 El conversor B oost (elevador de tensin)............................................................. 106

3.4 El conversor B u ck -b o o st........................................................................................... 110

3.5 El conversor C k .......................................................................................................... 114

3.6 C onversores en puen te .................................................................................................. 1163.6.1 C onversores en puente com pleto (F u ll-B ridge)....................................... 116

3.6.2 C onversores en sem ipuente (H alf-B ridge)................................................ 125

CAPTULO 4. Conversores DC-DC conmutados con aislamiento 127

4.1 El conversor F o rw ard .................................................................................................. 129

4.2 El conversor F lyback ................................................................................................... 138

4.2.1 F lyback con dos tran s is to re s .......................................................................... 140

4.3 El conversor P u sh -P u ll................................................................................................ 143

4.3.1 C onversor Push-Pull fuente de te n s i n ...................................................... 1434.3.2 C onversor Push-Pull fuente de corrien te .................................................... 148

4.4 C onversores en puente a islados................................................................................. 156

4.4.1 El conversor Full-B ridge a is la d o ................................................................. 1564.4.2 El conversor H alf-Bridge a is lad o ................................................................. 163

CAPTULO 5. Conversores DC-AC: Inversores............................................. 167

5.1 In troduccin .................................................................................................................... 169

5.2 Inversores m o n o fsico s.............................................................................................. 1715.2.1 Control PW M bipolar....................................................................................... 1715.2.2 C ontrol PW M unipo lar.................................................................................... 181

5.2.3 Inversor m onofsico de onda cuad rada ...................................................... 183

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CONTENIDO

5.2.4 C ontrol de inversores por cancelacin de ten sin .................................... 1865.3 Inversores trif sico s..................................................................................................... 189

5.3.1 Inversores trifsicos P W M ............................................................................. 1895.3.2 Inversores trifsicos de onda c u a d ra d a ...................................................... 191

5.4 E fectos de los retardos en los disparos sobre la tensin de salida deinverso resP W M .............................................................................................................. 197

5.5 E lim inacin program ada de a rm n icos...................................................................200

B IB L IO G R A F A ...............................................................................................................205

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CAPITULO 1RECTIFICADORES NO

CONTROLADOS

RECTIFICADORES N O CONTROLADOS

1.1. INTRODUCCIN

La conversin A C-D C tiene una im portancia capital en el cam po de la e lectrnica y de la electricidad en general, derivada de la necesidad de adaptar las caractersticas de las redes de d istribucin elctrica (principal fuente de energa que se u tiliza actualm ente) a los requerim ientos de un am plio abanico de receptores ta les com o equipos electrnicos, m otores de corriente continua (utilizados en regulacin de procesos y en traccin elctrica: m etro, tranva, trenes de cercanas, etc.). Todos estos receptores requieren corriente continua para su correcto funcionam iento, en tanto que las redes elctricas (salvo raras excepciones) presentan form as de onda alternas senoidales con un determ inado valor de tensin eficaz entre fases (en Espaa, 380V, con una frecuencia de 50 Hz). Por ello, a fin de que la red elctrica pueda ser utilizada com o fuente de sum inistro de energa para estos equipos, se com prende la necesidad de utilizar convertidores especficos (circuitos rectificadores) encargados de transform ar en continuas las form as de onda alternas caractersticas de la red.

D esde el punto de v ista de los dispositivos electrnicos utilizados y las posibilidades de contro lar el nivel de tensin continua en la salida del rectificador, este tipo de convertidores se pueden clasificar en:

1. R ectificadores no controlados.

2. R ectificadores controlados.

Los prim eros (rectificadores no controlados) utilizan diodos com o dispositivo sem iconductor y perm iten obtener una tensin de salida con un valor m edio prcticam ente constante, sin posibilidades de variar su am plitud de form a controlada. Este tipo de rectificadores es el m s utilizado por su sim plicidad y aparece com o prim era etapa de la fuente de alim entacin en la m ayora de los equipos electrnicos: equipos de m sica, ordenadores personales, etc.

El segundo tipo de rectificadores (controlados) utilizan tiristores como dispositivo sem iconductor y sern estudiados en el captulo 2. Su principal caracterstica es la posibilidad de controlar a voluntad el valor m edio de la tensin de salida del rectificador, actuando para ello sobre el ngulo de disparo de los tiristores.

1.2. RECTIFICADOR DEM EDIA ONDA CON CARGA INDUCTIVA

Pese a no ser frecuentem ente utilizado en la industria, el estudio del rectificador de m edia onda nos va a perm itir poner de m anifiesto algunos de los conceptos elem entales de la rectificacin no controlada.

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'SIM ULACIN D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA CO N PSPIC-E"

D Lcarga10mh

vn r -Rcarga10

Figura 1.1. Rectificador de media onda con carga RL

La figura 1.1 muestra el esquema de este tipo de rectificador funcionando con carga inductiva. Para introducir el circuito en el editor de esquemas, se utilizarn los siguientes elementos:

1) Vn: fuente de tensin Vsin, mediante la cual se modeliza una toma monofsica de la red de distribucin, programando los siguientes parmetros:

ameDC Valu S ave AllVOFF=0VAMPL=311FFEQ=50TD=0DF=0PHASE=QSIMULA TIO NO NLY=

*~i Change Displa^ i t l i

js

R Include Natvchartgeable AHfibu* R nclude S^ iem-defined Atributes

QKCaricel

Figura 1.2. Cuadro de dilogo del elemento Vsin

2) Diodo rectificador: Dbreak (diodo ideal).

3) L carga = 10mH; Rcarga = 102.

Una vez dibujado el esquema en el editor, para efectuar un anlisis temporal del circuito introduciremos en el men transient un tiempo de simulacin que nos

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RECTIFICADORES NO CONTROLADOS

permita visualizar en pantalla dos periodos correspondientes a la tensin de entrada, con un paso mximo de iteracin (determinado por el parmetro Step Ceiling) lo suficientemente pequeo para obtener una resolucin aceptable. Para ello, se utilizarn los siguientes valores:

p Transient Analysis------------------- jPnnt Step: jioil " j jFinal Time: pOni \

N-Print Delay: jcfi Step Ceiling: ' 50u

1 r Detailed Bas Pt.| ( Skip initial tramient soluton

p Fouief Analysis-------------

| r Enable Fourier

j Center Frequency:

i Number of harmonics:

! OUput Vars,:

OK Cancel

Figura. 1.3. de dialogo Cuadro del men transient

Efectuada la simulacin, la forma de onda de la tensin rectificada que se aplica a la carga es la que se muestra en la figura 1.4. Puede observarse que la tensin de salida no se anula hasta que no lo hace la corriente de carga, lo que significa que el diodo rectificador permanece polarizado en directo incluso durante una porcin del semiperiodo negativo de la tensin de entrada.

Este hecho es debido a que la inductancia de salida se opone a variaciones bruscas de corriente, creando la sobretensin necesaria para mantener al diodo en conduccin hasta que la corriente se anula.

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'SIM ULACIN D E C IRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N P S P IC E "

Os 1ns ZOns 30ns 4Bns U(D1:2) * I(L1)*5

Time

Figura 1.4. Tensiones de entrada y de salida del rectificador

O U(D1:1) -U(D1:2)Time

Figura 1.5. Tensin y corriente en el diodo rectificador

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RECTIFICADORES N O CO N TRO LAD O S

U na utilidad in teresante de PSPICE es la posibilidad de dibujar las form as de onda de las tensiones y corrientes que deben soportar los com ponentes sem iconductores, facilitando la eleccin por parte del d iseador del dispositivo que considere m s adecuado. En el caso que nos ocupa, se obtienen las curvas que aparecen en la figura 1.5.

En realidad, cada valor que puede leerse en estas grficas corresponde al calculado hasta el instante de tiem po correspondiente. Por definicin, el valor m edio y eficaz correcto deber leerse en condiciones de rgim en perm anente y sobre un instante de tiem po que sea m ltiplo del periodo (20m s, 40m s, etc.).

Actividad 1.1: Comprobar que el valor medio de la tensin en bornes de la inductancia de carga es nulo en rgimen permanente. Por qu se debe de cumplir esta condicin?

Actividad 1.2: Sustituir la resistencia de carga por una fuente de tensin continua de valor 150V. De qu manera afecta esta modificacin al circuito?

1.3. RECTIFICADOR MONOFSICO E N PUENTE

La figura 1.6 m uestra el esquem a del rectificador m onofsico en puente. La etapa de continua consta de un filtro constituido por los elem entos C f y Lf, destinado a atenuar el rizado de la tensin de salida. En la etapa de alterna se han aadido los elem entos Rr y Lr para tener en cuenta, respectivam ente, la resistencia y la inductancia de la red vistas desde el rectificador.

Figura 1.6. Esquema del rectificador monofsico en puente

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'SIM U IA C I N D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPICE

En este circuito nos proponemos e-studitir las principales formas de onda que caracterizan su funcionamiento y determinan la eleccin de los dispositivos semiconductores (diodos). Asimismo, pondremos de manifiesto el contenido de armnicos que el rectificador introduce en la red, empeorando el factor de potencia.

Tras dibujar el esquema del circuito en Schematics, procederemos a simular su funcionamiento introduciendo los siguientes valores en el men transient:

T ratiyer Analysis ..................

Prnt S*ep; jios

ina Time: jlOOrns

j Ho-Pfint Delay: jo

| Step Ceiling. jbOus

[ F JDetailed Biao R.p Sp inicial handerrf soMton

Founer Anaiysi? ........... .............................i

P Enable Fourief

Centei Fiequency. j 50

Nunrtbet of harmonios; i 20

| GutputVars.: |i(Lr"* |

OK Cancel J

Figura 1.7. Cuadro de dilogo del men transient

De esta manera, el programa efectuar un anlisis de Fourier sobre la variable que le hemos indicado, esto es, la corriente de entrada del rectificador.

Este anlisis nos informar acerca del contenido en armnicos de esta corriente, permitindonos de forma sencilla determinar el factor de potencia.

En la figura 1.8 se muestra la forma de onda de la tensin de salida del rectificador asignando a los elementos del circuito los siguientes valores:

Rr = lOmQ; Lr - Im H ; L f = luH ; C f = Im F ; Rcarga = 10Q

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RECTIFICADORES N O CONTROLADO S

o U(out+)Tie

Figura 1.8. Tensin de salida del rectificador

La tensin de rizado (AVopp) en estas condiciones de carga tiene un valor de 164V. Para investigar com o afecta al rizado el consum o de corriente en la salida, efectuarem os un anlisis param trico sobre la resistencia de carga, con valores de 1 a 100Q. El proceso para efectuar un anlisis param trico en la versin 8.0 de PSPICE es el siguiente:

1) Se sustituye el valor del com ponente que querem os variar por una etiqueta situada entre llaves. Por ejem plo, en este caso, en lugar del valor 10 que tena Rcarga, le asignam os la etiqueta {carga}.

2) Se inserta en el esquem a del circuito el com ponente PA R A M , localizado en la librera S P E C IA L .slb . En la pantalla aparecer el siguiente elem ento:

PARAMETERS: carga 103) Se indica en PA RA M las variables que se van a param etrizar (en este

caso, nicam ente carga, indicando su valor por defecto 10 2). El valor por defecto es el que se le asigna al parm etro en caso de que el anlisis param trico no est activado, o se som eta a variaciones un parm etro distinto.

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'SIM ULACIN D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA CO N PSPICE'

4) En el men Parametric se indica la variable a parametrizar y el tipo de barrido que se quiere efectuar (lineal, por dcadas, lista de valores, etc.)

rSweptVai. Type' C yoftage Sourcej C Jemperatme ! -\ < lunentSowce C Model Patameiet

gliA-csl Paiinfe'ei

Sweep Type

; linear C c*ave

jjecad!

t 31159

lilil\


De estas grficas tam bin se deduce que el valor m edio de la tensin disponible en la salida dism inuye a m edida que el consum o aum enta. Para cuantificar esta variacin, podem os utilizar el com ando avg de Probe y se obtienen los siguientes resultados:

aug(U(out+))Time

Figura 1.11. Valor medio de la tensin rectificada y ftrada en funcin del consumo

Actividad 1.3: Estudiar la influencia del valor de la capacidad de filtrado sobre el rizado y el valor medio de la tensin aplicada a la carga. Se recomienda efectuar un barrido paramtrico variando el valor de C f desde 500pF hasta lOmF.

Actividad 1.4: Estudiar cmo afecta al transitorio de carga del condensador de filtro el valor de la capacidad, haciendo especial nfasis en la corriente que circula por los diodos.

Qu medidas pueden adoptarse para paliar los inconvenientes asociados a este transitorio?

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"SIM U LA CI N D E CIRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N P S P IC E

Por su parte, la corriente de entrada del rectificador presenta la siguiente form a de onda:

[ U D U (U 1 :+ ) - U ( U 1 I T ) I ( L r )T i e

Figura 1.12. Tensin y corriente de entrada del rectificador

A la v ista de la figura 1.12 pueden extraerse las siguientes conclusiones:

1) L a corriente de entrada del rectificador est prcticam ente en fase con la tensin de entrada, por lo que el factor de potencia de desplazam iento (D PF) ser cercano a la unidad (el DPF viene determ inado por el ngulo de desfase entre la tensin de red y la com ponente fundam ental de la corriente).

2) La form a de onda de la corriente presenta una distorsin apreciable a sim ple vista, lo que hace prever que el factor de potencia global (que depende no slo del desfase entre la tensin y la corriente, sino tam bin del contenido en arm nicos que se inyectan en la red) ser significativam ente inferior a la unidad.

Para cuan tificar las observaciones precedentes y determ inar el factor de potencia global del rectificador en las condiciones de carga iniciales (R carga=10Q ), pueden utilizarse los resultados del anlisis de Fourier efectuado por PSPICE. Estos resultados aparecen en form a de tab la en el fichero de salida (out) generado por el program a.

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En este caso (con los valores indicados del condensador de filtro y de la inductancia de red), los resultados ofrecidos por el programa son los siguientes:

2 ie Seaich Inser Hefc

O g N q sjal . d i l a h J a J iFOURIER COMPONEHTS OF TRANSIENT RESPOHSE I(L_Lr) *1

DC COMPONEHT * -5.7 7S348E-04

HARMOHIC FREQUEHCY FOURIER HORMALIZED PHASE HORMALIZED :NO (HZ) COMPONEHT COMPONEHT (DEG) PHASE (DEG) .

1 5.000E+01 5 167E+01 1.000E+00 3 . 970E+00 0.000E+00~> 1.000E+02 8.680E-04 1.680E-05 -2.203E+01 -2.6GE+Q13 1.500E+02 3.723E+01 7.205E-01 -1 688E+02 -1.728E+024 2.000E+02 2.767E-03 5.3S5E-05 1.095E+02 1.055E+02c; 2.500E+02 1.749E+01 3.385E-01 1.502E+01 1 105E+016 3.000E+02 2.536E-03 4.907E-05 -9.695E+01 -1.009E+027 3.500E+02 3.362E+00 b .507E-02 1.731E+02 1.691E+02D 4.OOOE+02 1 913E-03 3.7Q1E-05 5.938E+00 1.967E+009 4.500E+02 2.780E+00 5.380E-02 -1.226E+02 1.26 5E+02

10 5 000E+02 2.409E-G3 4.661E-05 1.321E+02 1.281E+0211 5.500E+02 1.654E+00 3.200E-02 3.047E+01 2.650E+0112 6 .000E+02 1.968E-03 3.809E-05 -1 109E+02 -1.148E+0213 6.500E+02 9.972E-01 1 930E-02 1.143E+02 1.104E+0214 7.000E+02 2.275E-03 4.403E-05 6.524E+00 2.553E+00 &15 7.500E+02 9.399E-01 1.819E-02 -1.053E+02 -1.093E+0216 8.000E+02 1 .939E-03 3.753E-05 1.262E+02 1.223E+0217 8.500E+02 5.109E-01 9.888E-03 -3 313E+00 -7.283E+0018 9.QOOE+02 2.185E-03 4.229E-0S -1.217E+02 -1.257E+0219 9.500E+02 5.806E-01 1.124E-02 1.212E+02 1.172E+0220 1.OOOE+03 2.018E-03 3.906E-05 1 27SE+00 2.69 5E+00

TOTAL

SIM ULACI N D E CIRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPIC E

com ponente fundam ental de la corriente es (j>i = 3,97, lo que resulta en un factor de potencia de desplazam iento de valor:

DPF = c o s $ = cos3,97 = 0,998 (1.2)

En defin itiva, el factor de potencia global se calcula m ediante la siguiente expresin:

DPF 0 998PF= - = > ------- = 0,779 n -vVi + THDi2 yl\ + 0,82 ( }

Es un factor de potencia bajo, lo que significa que se absorbe una cantidad significativa de potencia reactiva de la red. Sin em bargo, el responsable de la potencia reactiva que se absorbe no es el desfase entre la tensin y la corriente (com o ocurre con form as de onda perfectam ente senoidales), pues com o hem os visto este desfase es prcticam ente nulo.

En un rectificador no controlado, al igual que en otros receptores fuertem ente no lineales, la responsabilidad de la potencia reactiva que se absorbe recae sobre la significativa distorsin de la corriente respecto a una form a de onda perfectam ente senoidal.

En efecto, se dem uestra que solam ente produce potencia activa la com ponente fundam ental de la corriente, por lo que cualquier distorsin respecto a una form a de onda senoidal pura increm enta el valor eficaz, dism inuyendo la potencia til que puede transportar la lnea de distribucin.

Los resultados del anlisis de Fourier perm iten dibujar en Probe la com ponente fundam ental de la corriente de entrada y la corriente de distorsin, defin ida com o la d iferencia entre la form a de onda real y la correspondiente a la com ponente fundam ental (fig.1.14).

Para ello, utilizando los operadores de Probe introducirem os la siguiente expresin:

zj = 51,67 sin(314 time + 0.069) (1-4)

donde, por coherencia con el resto de unidades, el valor de i debe introducirse en radianes y no en grados com o aparece en la tabla.

2 0


La figura 1.14 ilustra de form a grfica la distorsin arm nica de la corriente de entrada del rectificador respecto a su com ponente fundam ental.

I(Lr) 51.67*sin(31|i*tine+0.069) I(Lr)-51.67*sin(31J*tine+0.069)Tie

Figura 1.14. Distorsin de la corriente de entrada

Para investigar qu influencia tiene el consum o de corriente en la carga sobre el factor de potencia del rectificador, vam os a efectuar un barrido param trico tom ando com o variable Rcarga.

Los resultados que proporciona PSPICE se recogen en la siguiente tabla:

R C A R G A i D P F T H D i(% ) P F

1 -6.26 0.994 10.5 0.989

5 12.5 0.976 64.86 0.819

10 3.97 0.997 80.17 0.771

50 -6.87 0.993 110 0.670

100 -7.8 0.991 124 0.622

Tabla 1.1. Factor de potencia del rectificador en funcin del consumo

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"SIMULACIN D E CIRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPICE

De los resultados obtenidos se desprende que el factor de potencia de desplazam iento perm anece prcticam ente invariable (en todo caso, siem pre superior a 0.95) en cualquier rgim en de carga. El factor de potencia global, por el contrario, es m ayor cuanto m enor sea la resistencia de carga, esto es, cuanto m ayor sea la potencia que el rectificador sum inistra a la carga.

Este hecho se explica por el significativo increm ento del valor porcentual de la distorsin arm nica de la corriente respecto a la com ponente fundam ental.

Actividad 1.4: Investigar la influencia de la inductancia de la red (Lr) sobre el factor de potencia de desplazamiento, la distorsin armnica, el factor de potencia global y el rizado pico a pico de la tensin de salida rectificada y filtrada.

Actividad 1.5: Repetir el estudio anterior modificando en esta ocasin el valor de la capacidad de filtro Cfi

H asta ahora hem os visto que la distorsin de la corriente absorbida por el rectificador repercute en un factor de potencia bajo y en consecuencia en un consum o significativo de potencia reactiva. Sin em bargo, este no es el nico efecto pernicioso para la red de sum inistro, ya que si la corriente presenta un contenido en arm nicos elevado, cabe suponer que las cadas de tensin producidas en la lnea com o consecuencia de esta corriente repercutirn en una distorsin de la tensin de red en el punto de conexin com n (PCC ) de varios receptores.

Para estudiar este fenm eno, vam os a m odificar el circuito de la figura 1.6, introduciendo el concepto de PCC.

Vampl=311VFREQ=50Hz PCC2- X

D1 T JPCC1Lr1 o Lr2 i r'>rw'"v.

0.5mH 1mH

D2

PARAMETERS: carga 10

D3 -k

out

1 mF 4= Cf % Rcarga {carga}

Figura 1.15. Circuito utilizado para el estudio de la tensin en el PCC

22


En el circuito de la figura 1.15, L rl m odeliza la inductancia de la lnea de distribucin, en tanto que Lr2 equivale a la inductancia que existe entre el PCC y el rectificador.

A fin de cuan tifcar la distorsin de la tensin en el punto com n de conexin, aadirem os la tensin V (P C C 1 ,P C C 2 ) com o variable para el anlisis de Fourier (cuadro de dilogo del m en transient).

La form a de onda que se obtiene en el PCC es la siguiente:

O U(PCC1) -U (P C C 2 ) I ( L r 1 )Ti e

Figura 1.16. Tensin en el PCC de varios receptores

A sim ple vista puede verificarse que, en efecto, la tensin en el punto comn de conexin est d istorsionada com o consecuencia de las cadas de tensin en la lnea.

Un anlisis m s riguroso puede realizarse a partir de los coeficientes de Fourier calculados por el program a (figura 1.7), resultando en una distorsin porcentual del 6.3% .

C onsiderando que esta tensin es la que estn recibiendo el resto de receptores, se com prende el perju icio sobre la calidad del sum inistro que suponen las cargas fuertem ente no lineales com o es el caso de los circuitos rectificadores.

23

*SIM U LACIN D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPICE'

Es por ello que en los ltimos aos se ha extendido el uso de los rectificadores con absorcin sinusoidal de corriente, tambin llamados con correccin del factor de potencia, cuyo funcionamiento se basa en un conversor conmutado con un lazo de regulacin de corriente que impone una forma de onda senoidal en la intensidad de entrada del rectificador.

' .Fils iowch tfcw lnsai

-JEji yf

FOURI ER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V ( P C C 1 . P C C 2 )

DC COMPONENT * - 3 0 9 7 0 3 1 E - 0 5

HARMQHIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZEDNO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE (DEG) :

1 5 . 0 0 0 E + 0 1 3 . 1 0 4 E + 0 2 1 . 0 0 0 E + 0 0 - 1 . 4 6 9 E + 0 0 0 . 0 O 0 E + 0 02 1 . OOOE+02 9 . 5 7 8 E - 0 4 3 . 0 8 6 E - 0 6 3 . 7 3 4 E + 0 1 3 8 8 1 E + 0 13 1 S 0 0 E + 0 2 1 . S 6 0 E + 0 1 5 . 0 8 9 E - 0 2 7 . 6 4 5 E + 0 1 7 . 7 9 2 E + 0 14 2 . 0 0 0 E + 0 2 6 . 6 4 6 E - 0 4 2 . 1 4 1 E - 0 6 - 1 . S 1 1 E + 0 2 - 1 . 4 9 6 E + 0 25 2 . S00E+Q2 9 . 7 59E+ 0 3 . 1 4 4 E - 0 2 - 1 . 2 0 4 E + 0 2 - 1 . 1 8 9 E + 0 26 3 . 0 0 0 E + 0 2 4 . b 8 5 E - 0 4 1 5 0 9 E - 0 6 9 3 9 7 E + 0 1 9 . 5 4 3 E + 0 17 3 . 5 Q0E+ 02 2 . 6 2 2 E + 0 0 8 . 4 4 8 E - 0 3 - 4 . 0 8 3 E + 0 1 - 3 . 9 3 6 E + 0 18 4 . 0 0 0 E + 0 2 3 . 5 2 7 E - 0 4 1 . 1 3 6 E - 0 6 b . 2 5 1 E + 0 1 6 . 3 9 8 E + 0 19 4 . 5 0 0 E + 0 2 3 . 8 6 9 E + 0 0 1 2 4 6 E - 0 2 6 . 47EE+Q1 6 . 6 2 2 E + 0 1

10 5 . OOOE+02 5 . 3 3 7 E - 0 5 1 . 7 1 9 E - 0 7 2 . 5 9 8 E+ Q0 4 . 0 6 7 E + 0 011 5 . 5 0 0 E + 0 2 1 . 9 0 8 E + 0 0 6 . 1 4 7 E - 0 3 1 5 4 7 E + 0 2 1 . 5 6 2 E + 0 2 :12 6 . 0 Q0E+ 02 1 . 3 2 7 E - 4 4 2 7 4 E - 0 7 1 0 8 3 E+ 2 1 0 9 8 E + 0 213 6 . 5 0 0 E + 0 2 2 . 4 4 6 E + 0 0 7 . 8 8 2 E - 0 3 - 1 . 0 6 8 E + 0 2 - 1 . 0 5 3 E + 0 214 7 . OOOE+02 3 . 7 6 6 E - 0 4 1 . 2 1 3 E - 0 6 1 . 0 1 2 E + 0 2 1 . 0 2 7 E + 0 2 15 7 5 0 0 E + 0 2 1 . S 1 2 E + 0 0 4 . 8 7 2 E - 0 3 - 1 , 4 7 3 E + 0 1 - 1 . 3 2 6 E + 0 116 8 . 0 Q0E+ 02 2 . 2 7 4 E - 0 4 7 . 3 2 7 E - 0 7 9 . 7 5 2 E + 0 1 9 - 8 9 9 E + 0 117 8 . S00E+O2 1 . 8 1 3 E + 0 0 5 , 8 4 2 E - 0 3 8 . 1 80E+ G1 8 . 3 2 7 E + 0 113 9 . O00E+O2 9 . 7 2 0 E - 0 5 3 . 1 3 1 E - 0 7 7 . 2 3 6 E + 0 0 8 . 7 0 5 E + 0 0 X.19 9 . 5 0 0 E + 0 2 1 . 2 6 6 E + 0 0 4 . 0 8 0 E - 0 3 1 . 7 4 5 E + 0 2 1 . 7 6 0 E + 0 220 1 . 0 0 0 E + 0 3 2 . 0 8 5 E - 0 4 6 . 7 1 7 E - 0 7 6 . 7 3 5 E + 0 1 6 . 8 8 2 E + 0 1 i ;

TOTAL HARMONIC DI ST ORT I ON = 6 . 3 0 8 1 7 8 E + 0 0 PERCENT

iLFcjHmj pfes F . Lnl Col1

J i TNUM

Figura 1.17. Anlisis de Fourier de la tensin en el PCC

Actividad 1.6: Determinar la influencia ele la inductancia de entrada del rectificador (Lr2) sobre el rizado de la tensin de salida, el factor de potencia en la entrada y la distorsin de la tensin en el PCC. Es conveniente aadir inductancias en la entrada del rectificador?

Actividad 1.7: Obtener la forma de onda de la tensin y de la corriente en los diodos del rectificador, determinando la tensin mxima que deben soportar en inversa, as como el valor medio y el valor eficaz de la corriente que conducen.

Utilizando catlogos comerciales, se propone seleccionar un tipo de diodo que se considere apropiado para esta aplicacin (con los valores iniciales que se haban asignado a todos los elementos del circuito).

24


1.4. RECTIFICADOR MONOFSICO DUPLICADOR D E TENSIN

Este tipo de rectificador, com o su propio nom bre indica, perm ite obtener en la salida una tensin que corresponde aproxim adam ente al doble de la que se obtiene con el c ircuito anterior.

De esta m anera es posible obtener tensiones elevadas en la etapa de continua sin necesidad de utilizar un transform ador que eleve la tensin de entrada del rectificador.

El esquem a correspondiente a esta topologa de convertidor se m uestra en la figura 1.18.

Figura 1.18. Esquema del rectificador duplicador de tensin

La figura 1.19 m uestra las form as de onda de la tensin de salida de este rectificador, as com o la que puede m edirse en bornes de los condensadores. En ella se puede verificar que, en efecto, el valor m edio de la tensin rectificada es de 600V en estas condiciones de carga, valor que coincide con el doble de la tensin que se obtiene en la salida del rectificador de onda com pleta convencional.

El rizado de la tensin de salida en las condiciones de carga especificadas es de 43.5 V , en tan to que el rectificador en puente presenta un rizado de 22V cuando sum inistra la m ism a corriente (R carga = 100 en la figura 1.10).

Es decir, con los m ism os valores de capacidad de filtro, el rizado pico a pico en el rectificador en puente es la m itad que en el duplicador de tensin, ya que en este ltim o la salida ve dos condensadores en serie (aunque en rigor no estn conectados as) quedando su capacidad equivalente reducida a la mitad.

25

SIM ULACIN D E CIRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N P SP 1C E '

808U

600U

BOU

20BU + -Os 10ns 20ns

c U (o u t ) . U (out/2) v U (out) - l l (o u t/ 2 )Tie

30ns 40ns

Figura 1.19. Rectificador duplicador de tensin: tensin de salida y en los condensadores

U(U1:+ ) -U (U 1 : - ) I ( L r ) 5Tie

Figura 1.20. Corriente de entrada del rectificador duplicador de tensin

En lo que respecta a la entrada, la corriente que absorbe el rectificador tiene la form a de onda que se m uestra en la figura 1.20.

26


El anlisis de Fourier efectuado por PSPICE sobre la corriente de entrada, arro ja los siguientes resultados destacables:

THDi = 111,6%

(/>, = - 6 o

De m anera que el factor de potencia del rectificador para el rgim en de carga especificado es el siguiente:

PF = ^ = = 0.666Vi +1-112

R evisando la tabla 1.1, en la que aparece el factor de potencia del rectificador en puente para varias condiciones de carga, nos encontram os con que para la m ism a corriente de entrada (esto es, para la m ism a potencia consum ida de la red de sum inistro), el factor de potencia del rectificador en puente es de 0.622 (Rcarga = 100 en la tabla), ligeram ente inferior al que se obtiene con el duplicador de tensin.

Esta d iferencia es debida a la reduccin de la distorsin arm nica que se obtiene con el duplicador de tensin (111% frente a 124% para el rectificador en puente).

Actividad 1.8: Calcular el factor de potencia de desplazamiento, la distorsin armnica y el factor de potencia del rectificador duplicador de tensin para varios regmenes de carga, comparando los resultados con los obtenidos para el rectificador en puente.

Actividad 1.9: Obtener las form as de onda de la corriente y de la tensin en los diodos del rectificador duplicador de tensin. Qu diferencias se observan respecto al rectificador en puente?

1.5. EFECTOS D E LOS RECTIFICADORES MONOFSICOS E N LNEAS TRIFSICAS

En epgrafes anteriores se ha puesto de m anifiesto algunos de los perjuicios que ocasionan los rectificadores m onofsicos sobre las lneas de distribucin, que son:

1) D ism inucin del factor de potencia debido a la elevada distorsin arm nica de la corriente.

27

SIM U LA CI N D E CIRCU ITO S ELECTR N ICO S D E POTENCIA C O N PSPIC E

2) Em pobrecim iento de la calidad de la tensin en el punto com n de conexin con otros receptores.

En el presente apartado nos proponem os estudiar otro de los inconvenientes que pueden ocasionar los rectificadores m onofsicos cuando se conectan a una red trifsica de distribucin a 4 hilos (3 fases+neutro) utilizada en instalaciones dom sticas, oficinas, etc.

En una instalacin de este tipo, para equilibrar el consum o de los receptores m onofsicos se efecta un reparto m s o m enos equitativo de los m ism os entre cada una de las fases y el neutro, de m anera que, si los receptores son lineales, la corriente circulante por el neutro es nula.

En la prctica, el reparto de cargas no puede ser exactam ente equitativo, siendo el neutro el encargado de conducir la corriente de desequilibrio de los receptores m onofsicos.

En todo caso, los desequilibrios suelen ser pequeos, por lo que la corriente circulante por el neutro no es excesiva y su seccin suele ser significativam ente inferior a la correspondiente de los conductores de fase (la m itad, segn regula el reglam ento de instalaciones en baja tensin).

Qu sucede cuando los receptores no son lineales?

La figura 1.21 ilustra un conjunto de tres receptores m onofsicos de igual potencia conectados entre cada una de las fases y el neutro de la instalacin. El sm bolo de cada uno de los rectificadores m onofsicos corresponde al subcircuito que se m uestra en la figura 1.20.

REC3in+

Figura 1.21. Esquema de conexin de tres rectificadores monofsicos a una lnea a 4 hilos

28


En este circuito se ha aadido una resistencia de 10 megaohmios cuya nica funcin es la de evitar problemas de convergencia durante la simulacin con PSPICE.

Figura 1.22. Subcircuito del rectificador monofsico

El procedimiento para crear un smbolo que represente al subcircuito dentro de otro esquem a es el siguiente:

1) Se dibuja el esquem a del subcircuito (en este caso, el que muestra la figura 1.22), salvando el fichero con el nombre que se desee (por ejemplo, rectif.sch).

2) Se ejecuta la orden Symbolice dentro del men File (figura 1.23), asignando el nombre que se desee al smbolo (este nombre ser con el que llamemos al componente desde el Editor de esquemas). En este caso, el nombre asignado es R ecjn o n o f.s lb (la extensin no es necesario que se indique, el programa la asigna por defecto).

xjEnter rame fot curren! symbol:

rec mono!

K Cancel

Figura 1.24. Cuadro de dilogo de la orden Symbolice

29

SIM U LACI N D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPICE'

3) El program a solicita la librera de sm bolos en la que se desea guardar R ec_m onof.slb. En este caso, se ha creado una librera de usuario denom inada U ser.lib (fig.1.25). En la versin 8.0 de evaluacin de PSPICE, el nm ero de libreras est lim itado a 10. De estas, nueve se cargan por defecto, de manera que slo puede instalar una librera adicional.

Hombre de archivo: ] U ser. slbArchivos de tipo: Symbol Library Files (*.slb)

AbrrrCancelar

Figura 1.26. Creacin de una nueva librera de smbolos

4) Se ejecuta Editor Conjiguration dentro del m en Options, a fin de indicarle al program a que se ha creado una nueva librera y que debe instalarla. Seleccionando Library Settings se abrir el cuadro de dilogo que aparece en la figura 1.27, donde se indicar el nom bre de la librera y el path correspondiente (en caso de no indicar nada, el program a entender que la librera se encuentra en el directorio lib).

En este caso, el path indicado es el siguiente:

C:\MsimEv_8\User_lib\User

La extensin(.slb) no debe indicarse, pues el program a se encarga de asignarla. Para finalizar, se pulsa sobre la tecla Add*, de form a que la nueva librera pueda ser utilizada en cualquier archivo del E ditor de Esquem as (si se selecciona A dd_Local, nicam ente se carga la librera en el archivo actual).

30


jpScl

Library N ame: | C: \M S imE v_8\U serLib\LI ser

P Symbol File Extensin: r Package File Extensin:

slbl.plb

xANAL0G [.s lb , . plb] XEREAKUT [.slb] CONNECT [.s lb ,. KEVAL [.s lb . .plb] XPRT [.slb] xS0LIRCE [.slb] XSGURCSTM [.slb] XSRECIAL [.slb]

Add Local Change Debte

Brovyse...

OK

x use jn all schematics Cancel

Figura 1.27. Cuadro de dilogo del men Library Settings

5) Para redibujar el sm bolo a gusto del usuario, se entra en el Editor de Libreras (ejecutando Edit Library dentro del men File). Una vez all, se llam a a la librera User.slb (Orden Open dentro del m en File). La orden Get que se localiza dentro del men Par perm ite seleccionar editar el sm bolo deseado (recjnonof slb).

6) Se redibuja el sm bolo al gusto del usuario con ayuda de las herram ientas del m en Graphics. Es im portante que el dibujo y todos los term inales de conexin (excepto el de m asa, que no se conecta) queden dentro de la lnea de trazos discontinuos. Para m odificarla si es necesario, se utiliza la orden BJBox (figura 1.28.

7) Se salvan los cam bios y el sm bolo est listo para ser utilizado dentro de un esquem a.

E fectuada la sim ulacin del circuito de la figura 1.21, la form a de onda de lacorriente en la lnea de distribucin se m uestra en la figura 1.29.

31

"SIM ULACIN D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPICE'

I ( U L 1 ) * r m s ( I ( UL1)>Tie

Figura 1.29. Corriente en uno de los conductores de lnea y su correspondiente valor eficaz

32


Si d ibujam os ahora la corriente que circula por el neutro de la instalacin, se obtiene la siguiente form a de onda:

o I(Rneutro) /3

Es decir, debido a la no linealidad de los receptores, la sum a de las tres corrientes de fase no es nula (com o ocurre con m agnitudes senoidales), resultando en una corriente de neutro significativam ente superior a la corriente de lnea, lo que obliga a d im ensionar la seccin del conductor neutro en consecuencia.

Por supuesto, este es un caso extrem o en el que se ha considerado que slo existen cargas no lineales.

33

SIM U LACI N D E C IRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N P S P IC E "

En la prctica, deber tenerse en cuenta que cuantos ms receptores de este tipo se conecten a una lnea m ayor ser la corriente que circule por el neutro aunque las cargas estn equilibradas, por lo que su seccin debe ser, al m enos, igual a la de los conductores de fase.

Actividad 1.10: Efectuar un anlisis de Fourier sobre la corriente que circula por el neutro, verificando que en rgimen permanente se cumple la siguiente relacin:

In e u t M r m s ) = I ^ * 3 / (1.5)V =3,9,15...

siendo Ij, el valor eficaz del armnico de orden h de la corriente que circula por la lnea.

Actividad 1.11: Estudiar el efecto del desequilibrio de cargas eliminando uno de los rectificadores.

Qu sucede con la corriente de neutro en esas condiciones?

1.6. RECTIFICADORES TRIFSICOS

Al igual que ocurre con el resto de receptores elctricos, los circuitos rectificadores se utilizan en su versin trifsica cuando la potencia que consum en de la red es elevada, ya que en estos casos la utilizacin de rectificadores m onofsicos provocaran desequilibrios im portantes en el consum o de las fases. Este es el caso, entre otros ejem plos, de la alim entacin de m otores elctricos de gran potencia y la generacin de redes de corriente continua.

La figura 1.32 m uestra el esquem a de un rectificador trifsico no controlado que funciona alim entado por una red de frecuencia 50 Hz y 380V eficaces entre fases. La tensin de salida del rectificador es filtrada m ediante L f y Cf.

E fectuada la sim ulacin con los parm etros que se indican (figura 1.31), las form as de onda de la tensin de salida del rectificador y la correspondiente a la intensidad de entrada son las que aparecen en las figuras 1.33 y 1.34.

3 4


Las condiciones iniciales que se especifican para cada elem ento del circuito (inductancias y condensador) perm iten com enzar la sim ulacin en condiciones de rgimen perm anente.

TiahsientAfwlysu

! rirrt Step: |50u

i Final Time: |40n' ; i ' : P:'i *

s jo-Prirttelay: j

j lep Ceilirtg: J'sOu jj r >efailed Blas R ,

| p Sj^WttattwentpMiw ' jj Fouref Analysis j! ^ E p S b t e F -o u t ie ^ j

j psntei Ftequency: [50 |

! Number ofjjanrtonic: J20 !

] GMputVars.: j i(Lr11 j

i .................................................... !O K | Cancel j |

Figura 1.31. Men transient

Lh2 >

jLredjLrl

1 m Rrl

l>), -^ y v y ^ aa/V-IC=0A

Lr2Jd __

IC=24 Lr3_Lp__

IC=2 4A

Rr2AAAr

Rr3-A/W

~ m d2 D3

IC=493V:

D6

out

RESR20m

ICapj

Rcarqajcargaj

PARAMETERS:carga 20Cap 1 mFLred 1 mH

Figura 1.32. Esquema del rectificador trifsico no controlado

35

SIM U LACI N D E CIRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPIC E "

U(Cf:1)Time

Figura 1.33. Tensin de salida del rectificador

En lo que al rizado de la tensin de salida se refiere, con el valor de C f utilizado puede m edirse un valor pico a pico de 13.5V, apreciablem ente inferior al que se obtiene en un rectificador m onofsico con el m ism o filtro. Este hecho se explica por dos m otivos:

1) La tensin de salida del rectificador trifsico sin filtrar presenta ya una am plitud de rizado menor.

2) La frecuencia del rizado en el rectificador trifsico es tres veces superior (300 Hz frente a 100 Hz en el m onofsico), siendo la atenuacin del filtro m ayor a esa frecuencia.

El m enor rizado que se obtiene en la salida es otro de los argum entos a favor de la u tilizacin de rectificadores trifsicos en lugar de m onofsicos incluso si la potencia no es m uy elevada.

C entrndonos en las m agnitudes de entrada del rectificador, el anlisis de Fourier efectuado por PSPICE sobre la corriente de lnea ofrece los resultados que se m uestran en la figura 1.35.

36


2 0 0

-200

^ x , V r e d / V

/ \ ' / \/ \ / \( \ I e n t r a d a / \

/ \ / /i x /

/ /-N / " A / . / - A

\ / \ J \\ V

\

//

/

V

-400 + ------------------- -)

j /jI f \y /:

j \f ,/ 'j '

i '

------ 140ms

Figura 1.35. Resultados del anlisis de Fourier efectuado sobre la corriente de entrada

37

SIM U LACI N D E CIRCU ITO S ELECTR NICOS D E POTENCIA C O N PSPIC E'

es:De estos resultados se desprende que el factor de potencia de desplazam iento

DPF = cos(-13.16o ) = 0.974

y dado que THDi = 45.35% , el factor de potencia global se calcula como:

DPF 0.974PF =Vi + THDf Vi + 0.4 5:

= 0.888

Para estud iar la influencia del valor de la capacidad de filtro sobre el valor m edio de la tensin de salida, sobre el rizado que presenta esta y sobre el factor de potencia del rectificador, repetim os el anlisis efectuando un barrido param trico en el que Cf vare desde 0.5m F hasta 20m F.

O * v U ( C f : 1 )T np

Figura 1.36. Rizado de la tensin de salida en funcin de Cf

Com o era de esperar, el rizado de la tensin de salida dism inuye apreciablem ente cuando se increm enta el valor del condensador de filtro (figura 1.30). En efecto, a m edida que se increm enta la capacidad, la frecuencia de corte del filtro dism inuye, ofreciendo m ayor atenuacin a las frecuencias que se desean filtrar (en este caso, 300 FIz de salida del rectificador).

38


En lo que respecta al valor m edio de la tensin, utilizando el com ando avg de Probe se obtienen los siguientes resultados:

CF (MILIF) VOUTav (V)0.5 499.8

1 499.6

5 499.3

10 499.1

20 498.8

Tabla 1.2. Valor medio de la tensin de salida en funcin de C f

En definitiva, el valor m edio de la tensin de salida perm anece prcticam ente constante dentro de un rango am plio de valores de C f(e n las condiciones de carga especificadas).

En cuanto al factor de potencia, los resultados obtenidos son los siguientes:

CF (MILIF) 4>iO DPF THDj (%) PF0.5 -13.6 0.972 50.8 0.867

1 -13.2 0.974 45.4 0.8875 -12.8 0.975 42.1 0.89910 -12.8 0.975 41.8 0.90020 -12.8 0.975 41.6 0.900

Tabla 1.3. Factor de potencia del rectificador en funcin de C f

Com o se desprende de esta tabla, el factor de potencia del rectificador no vara de form a significativa cuando se increm enta la capacidad del filtro por lo que, en resum en, podem os concluir que utilizar valores elevados de capacidad nicam ente afecta al rizado de la tensin de salida, que dism inuye y por lo tanto m ejora la calidad de la tensin continua aplicada a la carga.

Actividad 1.12: Estudiar cmo evolucionan el rizado de la tensin de salida, su valor medio y el factor de potencia del rectificador cuando las inductancias de red varan de 0. Im H hasta lOmH

39

SIM ULACIN D E CIRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPIC E

Actividad 1.13: Repetir el estudio anterior variando esta vez el valor de la resistencia de carga (10 a 1002).

Actividad 1,14: Obtener la form a de onda de la corriente que circula por el condensador, determinando las prdidas de potencia en el mismo, teniendo en cuenta que:

^condensador ^ E S R ^ c (R M S ) O

siendo Resr la resistencia equivalente en serie del condensador.

En ocasiones, adem s de utilizar un condensador en paralelo con la carga para filtrar la tensin de salida del rectificador, se aade una inductancia adicional en la etapa de continua com o se indica en la figura 1.37.

jLredjl i Lr4L 1

.---------------------- ( V V V

A D1 D 2 D 3 nd^

Lf IC=27A

RESR20m

IC =495V A Cf 1 mF

D4 ^ D5 ^ D6

PARAMETERS: carga 20Lrea 0.2mHind 0.5mH

Rcargajcarga j

Figura 1.31. Rectificador trifsico con filtro LC de salida

Cuando se utiliza una inductancia en la etapa de continua, es interesante analizar com o evoluciona el factor de potencia cuando se m odifica el valor de Lf. La figura 1.38 m uestra las form as de onda de la corriente de entrada del rectificador para varios valores de la inductancia de filtro.

40


a o v a I(Lr1)Time

Figura 1.38. Corriente de entrada del rectificador en funcin de Lf

Esta figura m uestra claram ente que la corriente de entrada evoluciona hacia una form a de onda sem irrectangular a m edida que L f aum enta de valor. Sin em bargo, la visualizacin tem poral de la corriente no es suficiente para determ inar qu form a de onda corresponde a un m ejor o peor factor de potencia.

R ecurriendo de nuevo a los resultados del anlisis de Fourier, puede rellenarse la siguiente tabla:

LF (MH)

SIM U LACI N D E CIRCU ITO S ELECTRNICO S D E POTENCIA C O N P S P IC E "

C om o puede observarse, el factor de potencia de desplazam iento no se ve afectado en gran m edida cuando vara Lf. Sin em bargo, la distorsin arm nica es tanto m enor cuanto m ayor es la inductancia del filtro, estabilizndose en tom o al 28% para valores superiores a 5mH.

Esto repercute en una m ejora drstica del factor de potencia, llegando a alcanzar valores verdaderam ente elevados (superiores a 0.95).

Actividad 1.15: Analizar la evolucin del valor medio y el rizado de la tensin de salida para varios valores de la inductancia Lf.

Actividad 1.16: Determinar el factor de potencia y el valor medio de la tensin de salida del rectificador cuando las inductancias de red varan en un rango de 0.2mH a lOmH. Comparar los resultados con los obtenidos en el ejercicio anterior.

Actividad 1.17: Obtener las formas de onda de la tensin y de la corriente en uno de los diodos del rectificador, determinando los valores ms significativos para la eleccin de dispositivos comerciales.

1.7. EFECTO D E LAS INDUCTANCIAS D E RED SOBRE LA CONMUTACIN D E CORRIENTE

C uando se aade un inductor de filtro en la etapa de continua, las inductancias de la lnea provocan que la conm utacin de corriente entre los diodos del rectificador no sea instantnea.

Para poner de m anifiesto el fenm eno de la conm utacin de corriente entre diodos y analizar sus efectos sobre el funcionam iento del rectificador, utilizarem os el circuito que aparece en la figura 1.39, en el que se m odeliza la etapa de continua com o una fuente de corriente constante.

Vred220Vrms 50Hz

Figura 1.39. Circuito bsico de conmutacin entre diodos

42


En este circuito y en ausencia de inductancias de red, cuando la tensin de entrada fuese positiva el diodo D I se polarizara en directo y conducira. Por su parte, D 2 estara polarizado en inversa y perm anecera en estado de bloqueo. En el m om ento en que la tensin se hiciese negativa, la situacin se invertira, dejando de conducir D I para cederle el papel principal a D2, siendo la conm utacin entre los diodos prcticam ente instantnea.

En lo que a la tensin de salida se refiere, la form a de onda resultante sera casi nula durante la conduccin de D2 (en rigor, su cada de tensin en conduccin) y prcticam ente la de entrada durante la conduccin de DI (figura 1.40).

Sin em bargo, la inductancia L r no adm ite discontinuidades bruscas en la corriente que circula por ella, de m anera que m antiene sim ultneam ente a los dos diodos en conduccin durante un tiem po no despreciable {tcon en la figura 1.41).

D urante todo ese tiem po la salida perm anece cortocircuitada por el diodo D2, producindose la prd ida de tensin que puede apreciarse en la figura 1.41.

40BU-

o V ( O U t )

Time

Figura 1.40. Tensin de salida cuando la conmutacin entre diodos es prcticamente instantnea

43

'SIM ULACIN D E CIRCU ITO S ELECTR N ICO S D E POTENCIA C O N P S P IC E '

Se dem uestra que la prdida de tensin m edia en la carga puede calcularse m ediante la expresin:

A T / _ 0 > ' L r T

o ' ^ r " o - 7>

O I ( D 1 )


Figura 1.42. Rectificador monofsico con carga fuertemente inductiva

I (D3)20 ICDU)20 v UCUred:*)- U(Ured:-)Tie

Figura 1.43. Efectos de la conmutacin entre diodos en la salida del rectificador monofsico

Efectuada la sim ulacin, los resultados m uestran que en la salida se produce una prdida de tensin debida a la conm utacin entre diodos, que se explica por las m ism as razones que hem os visto en el caso del circuito bsico de conm utacin, con la particularidad de que, en este caso, la carga queda en cortocircuito durante las conm utaciones porque los cuatro diodos perm anecen en conduccin.

45

r

SIM U LACI N D E CIRCU ITO S ELECTR N ICO S DE POTENCIA C O N PSPIC E

La prdida de tensin m edia en la carga debido al fenm eno de conm utacin puede calcularse m ediante la expresin:

2co I ,T O o

n

( 1.8)

Actividad 1.19: Verificar que los resultados de la simulacin corroboran que la prdida de tensin media en la salida del rectificador monofsico corresponde a la ec. (1.8).

1.7.2. Rectificadores trifsicos

Al igual que hem os hecho en los rectificadores anteriores, en el caso del trifsico la carga se ha m odelizado com o una fuente de corriente constante (figura 1.44).

L1

V 2

L2

K >V3

L.3

jL red j D1 D2 D3 XLr1

Lr2

Lr3

D4

PARAMETERS: D5 A 06

loLred 50 1 mH

loj

Figura 1.44. Circuito para el estudio de las conmutaciones entre diodos del rectificador trifsico

Puesto que las diferentes conm utaciones entre los diodos de este rectificador son totalm ente anlogas, nicam ente considerarem os en detalle la correspondiente entre D3 (que deja de conducir) y DI (que tom a el relevo).

En lo que concierne a las intensidades en el circuito, esta transicin significa que iD3 decrece con una pendiente lim itada por Lri y L r3, en tanto que iDi se increm enta con la m ism a pendiente (ntese que la sum a de am bas corrientes constituye la corriente de carga, considerada constante).

46


Desde el punto de vista de las tensiones del circuito, el resultado es una dism inucin en la tensin V Pn respecto a la que se obtendra en caso de que la conm utacin fuera instantnea (figura 1.44), pues a la tensin sim ple de la red se le resta la cada de tensin en la inductancia correspondiente.

O tro tanto sucede con la tensin V n, y dado que la tensin de salida se expresa como:

VPN = VP - VPn Nn (1.9)

el resultado es una prdida de tensin m edia en la salida del rectificador.

P___

Lr1 LL-z y v y v

Lr2n ( 12....rY Y Y X

_ Lr3ATY L3 ^V W N

D1

D4 7^ p5 21 06 2\ N

K >V1

n 'K >V2

K ? >V3

L1

L2

L3

Lr3

Lr1

Lr2

D3-Ob-

D1-M-

-W-

lo

D5 N

Figura 1.45. Circuito de conmutacin entre los diodos D3 y DI

El m ism o razonam iento es aplicable al resto de conm utaciones entre diodos, de m anera que la tensin aplicada a la carga sufre una dism inucin en su valor medio que puede estim arse como:

3( 1. 10)A V= m-Lr -I071

47

"SIM U LA CI N D E C IR C U ITO S ELECTR N ICO S D E PO TENCIA C O N PSPIC E

Actividad 1.20: Estudiar el resto de las conmutaciones entre diodos, comprobando que en cada una de ellas se produce la misma prdida de la tensin aplicada en la salida.

Actividad 1.21: Verificar que los resultados de la simulacin corroboran que la prdida de tensin media en la salida del rectificador trifsico corresponde a la ec. (1.10).

Figura 1.46. Prdida de tensin en el rectificador trifsico debido a las conmutaciones entre diodos

1.8. RECTIFICACIN DE FORMAS DE ONDA NO SINUSOIDALES

El presente apartado est dedicado al estudio de la rectificacin de tensiones y/o corrientes cuya form a de onda no es sinusoidal, tp icas en conversores conm utados funcionando a frecuencias elevadas.

A unque el funcionam iento bsico del rectificador es el m ism o que el estudiado hasta ahora, las form as de onda con las que se trabaja y la frecuencia de las m ism as ju s tifica el estudio particu lar de este tipo de rectificacin.

En algunos tipos de fuentes de alim entacin aisladas, a fin de introducir el aislam iento en a lta frecuencia (lo que reduce significativam ente el volum en y el peso del transform ador utilizado) se utilizan las siguientes etapas de conversin:

1) Rectificacin de red, a partir de la cual se obtiene una tensin continua con m ayor o m enor rizado segn el filtro utilizado y el rgim en de consum o, tal y com o se ha puesto de m anifiesto en apartados anteriores.

48


2) Conversin DC-AC, en la cual se u tilizan conversores conm utados que trocean convenientem ente la tensin continua de entrada a fin de generar tensiones alternas (generalm ente cuadradas o rectangulares) de frecuencia elevada que son aplicadas al transform ador.

3) Rectificacin de alta frecuencia, cuya funcin es convertir de nuevo en continua la tensin de salida del transform ador.

RECTIFICACION BF FILTRO RECTIFICACION AF FILTRO

Figura 1.47. Esquema de bloques de un conversor conmutado con aislamiento en AF

Supongam os que la tensin que se obtiene en el secundario del transform ador presenta la form a de onda que se m uestra en la figura 1.48, esto es, una tensin rectangular de frecuencia 50kH z y am plitud 50V.

o U(U2:*,lisec:-)Tie

Figura 1.48. Tensin de entrada del rectificador

49

SIM ULACIN D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPICE

V'A s'-' s'/' xiame ifalue

' RE-DES.....j "" V -J

V2=50 TD=2us TR=1nt T F=1ns PW-6us PER-20us

F InclijdeMaf-ehangaabteAttx.ifeF Include&stsnvdeinedAfttibutes Cancel

* [Lee!A

A

gaveAiir |

timeJoc

V1=0V2=-50TD*12u$TR=1n$TF=1 nsPW=SusPER=20us

Ve**?' L , , J

3 Cbenge D-spiay j

d

F IncfudeN^trcfwtgeableAttiituAe F Inchdt Si'fem-dsfiri&d Aitbt t

;-0w;/CfV2L

Figura 1.49. Programacin de las fuentes Vpulse

Una forma de onda como la que se muestra en la figura 1.48 puede modelizarse mediante dos elementos Vpulse, conectados en serie y programados como se indica en la figura 1.49. La figura 1.50 ilustra como queda la tensin de cada fuente por separado, pudindose observar que la suma de ambas resulta en la form a de onda deseada.

20U

Os 10usd U(Usec1:+) -U(sec1:-)

3 flus

Tie

JiOus

50

RECTIFICADORES N O CONTROLADO S

Os 10us 20us 30us 40us 50us 60usO U(Usec2:+)

Tie

Figura 1.50. Tensin de las fuentes Vpulse por separado

El tiem po de subida y de bajada de la tensin de las fuentes {tr y tf respectivam ente) deben ser pequeos en relacin al periodo pero nunca nulos, ya que para PSPICE ello supondra que la tensin en bornes del elem ento vpulse adopta sim ultneam ente dos valores distintos.

El circuito u tilizado para la sim ulacin es el que se m uestra en la figura 1.51. Las condiciones iniciales asignadas al inductor y al condensador de filtro perm iten com enzar la sim ulacin en condiciones de rgim en perm anente.

0PTIM1ZER PARAMETERS: ame Inital Currentind 60uH 60uHFigura 1.51. Esquema del rectificador

51

SIM ULACIN D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPICE'

**!. T r * y r * A r > 4 * * ,*

"gnsjw'(Horo 'V i- -y' - - ~?/ ' '* ''. 'j. , 0 jeos ';37' V.- I - ' Qufpav -^I

i

OK j Cwel

Figura 1.52. Cuadro de dilogo del men transient

T eniendo en cuenta la frecuencia de funcionam iento, para la sim ulacin de este circuito se recom ienda u tilizar los parm etros anteriores en el men transient (recurdese u tilizar las condiciones iniciales m arcando sobre la casilla correspondiente).

Los resultados m uestran que la tensin de salida del rectificador es continua con el rizado que puede observarse en la figura 1.51. En la m ism a figura aparece la corriente en el inductor de filtro, cuyo valor m edio coincide de form a muy aproxim ada con la corriente de carga (casi todo el rizado de corriente es absorbido por el condensador).

2 6.1S U

2 6 .1 0 U

15*

SEL11*

Os 1 0us 20us 30us *0us 5 Bus 60uso 1 ( L f ) 4ug< I ( L F ) >

tllM*

Figura 1.53. Rizado de tensin y de corriente en los elementos del filtro de salida

o U ( o u t ) u g ( U ( o u t ) )

52


La versin 8.0 de PSPIC E incorpora una utilidad de optim izacin que resulta muy interesante para el diseo de circuitos.

Para poner de m anifiesto la potencia de esta utilidad, vam os a suponer que se desea determ inar el valor de la inductancia de salida que limite el rizado de corriente a 1A.

Los pasos a seguir son los siguientes:

1) Insertar en el esquem a del circuito el elem ento O P T P A R A M .

Efectuando doble click en l se abre un cuadro de dialogo en el que se indican el parm etro a optim izar, el rango de valores dentro del cual el program a determ inar el valor ptim o (low limit y upper limit), la tolerancia que se acepta, el valor por defecto del parm etro (initial valu) y el valor ptim o una vez determ inado si este es actualizado (current valu).

En nuestro caso, los valores adoptados se m uestran en la figura 1.54.

i

ind i

iinitial Valujsuh

Current Valu j60uH

lilil

Lomar Lmit j40uH

Upper Ltrnrt T olerancei|400uH \2 4

. tratiat Valu Cunen* Valu60uH 60mH A

Ipiiflil i l i l

| | g #

'&r

Figura 1.54. Cuadro de dilogo del elemento OPTPARAM

2) Se le asigna al valor del elem ento correspondiente una etiqueta encerrada entre llaves con el m ism o nom bre indicado en el m en anterior: {ind}.

Pese a que el procedim iento es sim ilar al seguido para un anlisis param trico, no debe confundirse este con el proceso de optim izacin, pues se trata de anlisis diferentes.

En consecuencia, el an lis is p a ra m tr ic o p e rm a n e c e r desac tivado .

53

SIM ULACIN D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPICE

3) Se selecciona la opcin Run optimizer dentro del men Tools .

4) D entro del m en Edit , se selecciona la opcin Spccifications. Se abrir un cuadro de dilogo en el que se define el parm etro que se desea optimizar (en este caso, lim itar iLpp a 1 A).

Tras com pletar el cuadro y asegurarse de que la casilla Constraint no est activada, se selecciona OK.

5) C errar el men Specifications .

6) Seleccionar A u to s ta r t en el men T u n e . Si el proceso de optimizacin se lleva a cabo con xito, los resultados aparecern en la pantalla como se muestra en la figura 1.55.

ame: j'LpP v EnabledRcference: c? Infernal Externa! j Weight: j l

> Interna! . j Externa!; Target: 1A1 Ftange: jo. 1A ! X Column ame:| r Constraint Y Column ame:i i Type: j n ^ A j j | Tolerance: p - Analysis - - Circuit File: r a c *" DC


8) Para actualizar los resultados en el editor de esquem as, se selecciona Update Schem atics en el men E d it .

FiIp ilii J u n e Qphons hjelp

v O*^ ^ ^V' 4 * (rf#-t \ j.\ t V wt' , rf.k ,*V ,< ik ' /titl. ,!

'** \v''" * v Xm m K m

I l l i w l l f l l

M i l. ,' S>> >

w H M IM H B l * ' ' ' ^5>

I n H*

QpUmi2 ation complete. Specs met.

Figura 1.56. Resultados del proceso de optimizacin

9) Por ltim o, se vuelve al editor de esquem as seleccionando E xit en el men F ile . Si se desea sim ular el circuito con el valor ptim o calculado por el program a, debe seleccionarse Use optimized Params,J en el men T ools antes de proceder a la sim ulacin.

El rizado de corriente en el inductor de salida, utilizando los resultados de la optim izacin, queda com o m uestra la figura 1.57.

Actividad 1.22: Utilizando la utilidad de optimizacin que se acaba de exponer, determinar el valor de la capacidad necesaria para que en el circuito de la figura 1.51, el rizado de la tensin de salida sea inferior a 20mV.

55

SIMULACIN DE CIRCUITOS ELECTRNICOS DE POTENCIA C O N PSP1CE "

O I (Lf)Tie

Figura 1.57. Rizado en el inductor de salida tras el proceso de optimizacin

CAPITULO 2RECTIFICADORES

CONTROLADOS

RECTIFICADORES CON TRO LAD O S

2.1. INTRODUCCIN

En el captulo 1 se han estudiado las principales caractersticas de la conversin de alterna a continua (A C-D C) utilizando diodos rectificadores, entre las que destaca la obtencin de tensiones continuas en la salida del equipo de valor no controlable por el usuario.

Sin em bargo, en determ inadas aplicaciones se requiere poder disponer de un control del valor m edio de la tensin continua por parte del usuario del equipo. Entre otros ejem plos, pueden destacarse las siguientes: carga de bateras, control de m otores de corriente continua, lneas de transm isin de energa elctrica en alta tensin (en las que el uso de corriente continua elim ina las cadas de tensin inductivas en la lnea), etc.

En esos casos, tradicionalm ente se han venido utilizando los denom inados rectificadores controlados, equipos electrnicos en cuya estructura se utilizan tiristores com o dispositivo de potencia. En la actualidad, el trem endo avance tecnolgico que se ha efectuado en el cam po de los dispositivos sem iconductores, en el que se ha am pliado el rango de tensiones y corrientes que soportan com ponentes de potencia controlables a ON y a OFF (M osfet, IG BT, etc), hace que la tendencia (en potencias pequeas y m edias) sea la u tilizacin cada vez m s extensa de conversores conm utados DC-DC en asociacin con un rectificador no controlado. Esta asociacin perm ite realizar las m ism as funciones de la rectificacin controlada, pero m ejora significativam ente las prestaciones en com paracin a los tiristores (en trm inos de respuesta dinm ica de la regulacin, rizado de salida, etc.).

Es as com o la utilizacin de rectificadores controlados a base de tiristores va desplazando su cam po de aplicacin a las potencias elevadas, tales com o la traccin ferroviaria o la ya citada transm isin de energa elctrica en alta tensin, aunque no resulta extrao todava encontrar este tipo de equipos en aplicaciones de menor potencia.

2.2. M ODELIZACINDEL TIRISTOR

El tiristo r es un dispositivo sem iconductor que consta de dos term inales de potencia (nodo y ctodo) y uno de control (puerta o gate). La puesta en conduccin de un tiristo r se produce si se satisfacen dos condiciones:

1) Que el tiristo r est polarizado en directa (V a^ O )

2) Q ue se aplique un pulso de disparo de duracin suficiente entre la puerta y el ctodo.

59

"SIM ULACIN D E C IRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPIC E

El bloqueo del tiristor, por el contrario , no puede controlarse en m odo alguno actuando sobre el term inal de puerta, dejando de conducir de form a espontnea inducido por accin del circuito exterior (de form a anloga al diodo). En rigor, el tiristor se bloquea cuando la corriente de nodo es m enor que la denom inada corriente de m antenim iento (IH), parm etro facilitado por el fabricante en las hojas de caractersticas.

PSPICE dispone en sus libreras de un m odelo de diodo (en su versin ms sim ple Dbreak), que es el que se ha utilizado en el captu lo 1. En el caso del tiristor, existen m odelos m s o m enos com plejos que reproducen en la sim ulacin el com portam iento del tiristor, pero ninguno de ellos est disponible en la versin 8.0 de evaluacin y, aunque se d ispusiera de ellos, su utilizacin ralentiza de tal form a la duracin de las sim ulaciones que se hace interesante disponer de un m odelo ms sencillo. El m odelo que proponem os es el siguiente:

Figura 2.1. Modelo del tiristor para PSPICE

Este circuito perm ite m odelizar de form a sencilla las caractersticas bsicas del tiristor:

1) El interruptor controlado por tensin SI conduce si en la puerta existe un nivel alto de tensin. Se recom ienda m odificar el parm etro Ron = lOOmQ (por defecto, R o n = lQ ).

2) La fuente de tensin contro lada por corriente H1 m antiene la conduccin de SI en tanto que circu la corriente por l, al igual que hara un tiristo r real.

3) D I im pide que circule corriente en sentido inverso.

4) Las condiciones iniciales de la capacidad Cg perm iten decidir si el tiristo r est conduciendo o no cuando se inicia la sim ulacin.

60

RECTIFICADORES CONTROLADOS

A fin de ev itar desafortunadas confusiones, es im portante destacar que, por la naturaleza de este m odelo, las tensiones que se apliquen en la puerta para disparar el tiristor estarn todas referenciadas a la m asa del circuito.

En un tiristo r real, la tensin de puerta toma la referencia en el ctodo del propio dispositivo, lo que obliga a u tilizar aislam iento entre las diferentes tensiones de puerta de los tiristores cuando los ctodos estn som etidos a diferente potencial.

2.3. PRINCIPIOS D E FUNCIONAMIENTO DEL TIRISTOR

C onectados a una red de distribucin de tensin constante, los circuitos con tiristores perm iten contro lar la am plitud de la tensin continua aplicada a la carga en funcin del m om ento en que son puestos en conduccin. Para com prender adecuadam ente los principios de la rectificacin controlada, procederem os al anlisis del circuito de la figura 2.2. En l se m uestra un rectificador controlado de m edia onda funcionando con carga resisitiva pura.

Para el d isparo del tiristor, utilizarem os el elem ento vpulse de PSPICE, programado de form a que aplique pulsos en la puerta del d ispositivo de IOOjis de duracin y desfasados un ngulo alpha = 45 respecto de la tensin de red (figura 2.3).

En este circuito , cuando el tiristo r no conduce la tensin de salida perm anece a cero. En el instante en que se aplica un pulso de disparo en la puerta del tiristor y este entra en conduccin, la tensin de salida es prcticam ente igual a la de entrada.

220Vrms , 50Hz ( ' phase=jalpha5

o u

^KVdisp

PARAMETERS: alpha 45

Figura 2.2. Rectificador controlado bsico con carga resistiva

61

'SIM ULACIN D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA CO N ESPCli

1 -ou

o U(G)liOB-r - - --------- -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

V-7.al i .da

; ' '- araa+S \

10ms 15ms 2 0ns 25ms 30ns

T ime

Figura 2.3. Tensin y corriente de salida en el rectificador controlado bsico

Actividad 2.1: Obtener las formas de onda de la tensin y la corriente de salida para varios valores del ngulo de disparo alpha, calculando en cada caso el valor medio de la tensin aplicada a la carga.

ame }aluej R E F D E S - jv d iT p

..........V2=1TD=0T R = 1 0 n sTF=10nsF W = 1 0 0 u sPER=20rns

P ndude Mon-changeable ttrbutes P incfude Sifdem-defined Atributes

Figura 2.4. Programacin de vpulse para el disparo del tiristor

' ' ' M\

Sava Attr | iS l S l B l l l l l l l i l__ ... i i

Delate

| 1 | ||||

i i i l l l l

Cancel i

v.\SEL>>- 0 +

0s 5nso U ( o u t ) o I ( R c a r g a ) 5

6 2

\RECTIFICADORES CONTROLADOS

2.4. RECTIFICADOR MONOFSICO E N PUENTE

La figura 2.5 m uestra el esquem a del rectificador m onofsico en puente funcionando con carga fuertem ente inductiva. Para sim plificar, en principio se mode- lizar la carga com o una fuente de corriente constante.

Figura 2.5. Esquema del rectificador controlado monofsico

Para el disparo de los tiristores utilizarem os en principio un ngulo de 45, m edido desde el instante de conm utacin natural, esto es, el instante en que conduciran los tiristo res si tuviesen aplicado un pulso en la puerta continuam ente o si fuesen diodos.

Las diferentes tensiones de disparo aplicadas en la puerta de los tiristores estn configuradas com o se indica a continuacin:

V I V2 TD T R T F P W P E R

Vdispl 0 1 0 lOns lOns W)0us 20ms

Vdisp2 0 1 10 lOns lOns lOOus 20ms



Tabla 2.1. Disparo de los tiristores

Efectuada la sim ulacin (Time step = 50us, Final time = 60ms, Step Ceiling = 50us), la tensin de salida que se obtiene en este circuito con una

63

SIM U LACI N D E CIRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N P S P IC E '

inductancia de red despreciable (L red - InH ) presenta la form a de onda que se m uestra en la figura 2.6. Sobre e lla se han destacado el ngulo de disparo utilizado y el valor m edio de tensin correspondiente.

U(P) * aug(U(P))Time

Figura 2.6. Tensin de salida del rectificador monofsico (alpha=4S)

Se puede dem ostrar que la relacin existente entre el valor m edio de la tensin rectificada y el ngulo de disparo de los tiristores responde a la siguiente expresin (2.1).

2 V2 (2 .1)V0 Vr eos aKsiendo V r la tensin de red en valor eficaz.

T eniendo en cuenta que para alpha=0, esto es, con los tiristores com portndose com o diodos, la tensin m edia se calcula:

* V o , = -K = 0.9-V, (2.2)7t

se puede hablar de una prdida de tensin m edia en la salida debido al ngulo alpha que puede estim arse como:

= r ^ . 0) - v0 = 0.9 Pr ( l - c o s a ) (2.3)

64


Para dem ostrar m ediante la sim ulacin con PSPICE la validez de estas expresiones, procedem os a efectuar un anlisis param trico, utilizando com o variable para el barrido el ngulo alpha.

Por o tra parte, calcularem os los valores que se deducen de la ecuacin 2.1 (tabla 2.2), a fin de poder contrastar los resultados.

A L P H A O Vo(AV) (V)

0 198

45 140

90 0

130 -127,3

160 -186

Tabla 2.2. Valor medio de la tensin de salida en funcin de alpha (ec.2.1)

Los resultados obtenidos en sim ulacin avalan la validez de la ecuacin (2.1), debindose la d iferencia de 4V que se observa en cada caso a la cada de tensin en conduccin de los tiristores. A sim ism o, se puede destacar que la tensin de salida es negativa para ngulos superiores a 90. Fsicam ente, este hecho se interpreta com o que el rectificador se com porta en m odo inversor, es decir, absorbe energa de la etapa de continua y la cede en la de alterna.

Time

Figura 2.7. Valor medio de la tensin de salida en funcin de alpha (simulacin)

65

'SIM ULACIN D E CIRCUITOS ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPICE

-* 0 0 + -------------------------------------- -............................. T ---------------------O 10ns 20 ns

O I (Lred)*10 U(Ur-(J:*) -U(Urt>if:-) 12?-sin(31*time)Tie

Figura 2.8. Formas de onda en la enerada del rectificador

Si nos fijamos ahora en el lado de alterna, la corriente que absorbe el rectificador y su correspondiente componen)- fundamental (I,) presentan el aspecto que ilustra la figura 2.8.

De las formas de onda obtenidas, es evidente que el factor de desplazamiento del rectificador controlado coincide con el coseno del ngulo de disparo. En la figura 2.8 se verifica asimismo qne la componente fundamental est en fase con la corriente de entrada, esto es, desfasada el ngulo alpha respecto de la tensin de red.

D P F = eos (p\ = c o s a (2.4)

xsiaiiFOURIER COMPONENTE OF TRANSIENT RESPOHSE I ( L _ L r e d )

DC COMFONEHT = 378640E-9

HARMONIO FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZEDNO (HZ) COMPONENT MPOHENT (DEG) PHASE (DEG)

5 CIPE+l 273E+1 1 nouE+nn -4 478E-01 0 00OE+O02 1 OOE+02 4 . 772E-G9 3 747E-10 8 990E+1 9 3SE+013 1 500E+02 4 244E+00 3 333E-01 -1 390E+00 _q 018E-01

2 00E+02 772E-0? 3 747E-10 8 996E+01 9 041E+15 2 500E+G2 2 547E+00 2 OOOE-Ol 2 250E+U0 -1 802E+0CK 3 OnOE+02 .771E-09 747E-1G ,:i E+Ol 9 045E+01

3 50GE+02 Q20E+00 1 429E-01 - 3 150E+00 -2 702E+OO8 4 . QE+2 . 772E-09 3 748E-10 ? 0OOE+O1 9 4SE+019 4 . 50E+02 . 416E+00 1 112E-01 -4 50E+00

1 Zj 000E+02 4 771E-09 3 747E-10 8 998E+1 9 43E+0111 5 . S00E+Q2 189E+0 q 102E-02 -4 9S0E+0O -4 502E+0012 b OOOE+02 4 773E-09 3 743E-10 8 993E+01 8 043E+0113 . 50CE+02 9 . 811E-01 7 70SE-02 - 5 . 850E+OO _r, 4 02 E+ O014 n 000E+02 4 778E-09 3 7S1E-1C S 998E+01 9 042E+011S SGOE+Ci 2 y 508E-01 b 682E-02 - 7E0E+00 -b j02E+001 8 00E+O2 4 777E-09 3 781E-10 8 . 993E*-01 9 LV.r-T MU17 8 . 50E+CI2 7 512E-01 c '-


Por su parte, el factor de distorsin se puede calcular de form a terica, resultando ser TH D i = 48,43% para cualquier ngulo de disparo. Sin em bargo, los resultados del anlisis efectuado por PSPICE indican que THDi = 45,7% (figura 2 .8).

Esta d iferencia v iene dada por el nm ero de arm nicos que se ha tom ado para el anlisis (en nuestro caso, 20). Si se eleva el nm ero de arm nicos que se tienen en cuenta para el clculo de la distorsin, esta se aproxim a m s al resultado terico inicial.

Por lo tanto, el factor potencia de este rectificador para un ngulo de disparo de 45 y tom ando com o factor de distorsin el ofrecido por PSPICE (por coherencia con el resto de sim ulaciones que se efectuarn), es el siguiente:

eos (yP F = = 0,9 coser = 0,9 eos 45 = 0,643

Vl + 0 ,4572

Actividad 2.3: Determinar el factor de potencia del rectificador para varios ngulos de disparo de los tiristores, verificando que la distorsin armnica (siempre que la corriente en la etapa de continua sea considerada constante) no se modifica.

Actividad 2.4: Verificar que el valor eficaz de la corriente de entrada del rectificador coincide con la corriente de la etapa de continua.

Por ltim o, centrndonos en las form as de onda de la tensin y de la corriente que soportan cada uno de los tiristores del rectificador, se observa que la corriente no depende del ngulo de disparo (su valor eficaz siem pre es el m ism o independientem ente del instante en que conduzca el dispositivo), no ocurriendo lo mismo con la tensin, pues com o se observa en las figuras 2.9 y 2.10, el instante en que los tiristores entran en conduccin m odifica de m anera significativa la form a de onda de la tensin que soportan en estado de bloqueo.

Este hecho adquiere una im portancia relevante cuando se utilizan los denom inados tiristores asim tricos, esto es, d ispositivos cuya tensin m xim a de bloqueo en polarizacin directa (V Dm) no es la m ism a que la correspondiente en inversa(V RM).

SIM U LACI N D E CIRCU ITO S ELECTR N ICO S D E POTENCIA C O N PSPIC E

Si el ngulo de disparo es susceptible de variar dentro de un am plio rango de valores, es aconsejable elegir dispositivos sim tricos, reservando el uso de los asim tricos para aquellas aplicaciones en las que el ngulo de disparo est lim itado a pequeas variaciones (por ejem plo, de 0o a 30).

U(T1:fl) -U(T1:K)Time

Figura 2.10. Tensin en bornes de los tiristores (alpha=45)

l*BOU ->-----------------------------------------------------------------

U(T1:A>- U(T1:K)Tie

Figura 2.11. Tensin en bornes de los tiristores (alpha=130)

Actividad 2.4: Obtener la form a de onda de la tensin en bornes de los tiristores para diferentes ngulos de disparo. Para qu valor de alpha las tensiones mximas que soporta el tiristor en directa y en inversa coinciden?

68

v


2.4.1. In flu e n c ia de L r

En este apartado vam os a poner de m anifiesto de qu m anera afecta la inductancia de la red al funcionam iento del rectificador.

Bsicam ente, los efectos son los m ism os que hem os estudiado en los rectificadores con diodos, esto es, un tiem po de conm utacin de corriente entre tiristores no despreciable y la consiguiente prdida de tensin en la etapa de continua.

C onsiderando Lr = lOmH en el circuito de la figura 2.5 y alpha = 45, se obtienen las form as de onda que se m uestran en la figura 2.12.

La tensin de salida del rectificador perm anece nula durante el tiem po en que se produce la conm utacin de corriente entre tiristores ( tcon en la figura 2.12).

Se dem uestra que, en esas condiciones, el valor m edio de la tensin rectificada puede calcu larse m ediante la siguiente expresin:

2V0 = 0 ,9 V cosa - 0>-Lr -Io (2 .5)

71 v 7

O tro efecto derivado de la presencia de inductancias en el lado de alterna es la deform acin de la corriente de entrada, que tiende a ser ligeram ente trapezoidal, como puede observarse en la figura 2.13.

20ft

0AitOOU

SEL- U 0 0 U

15ms 20pis 25ms 30ns U(P)

Tie

Figura 2.12. Prdida de tensin continua debido a la conmutacin de corriente entre tiristores

1---------------------------------------------------------------------------------------1

69

'SIM ULACIN D E CIRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N PSPICE

II 2 t'con

0 -

-20 + 05 10ros 20ms 3 0ms

------ H40ms

I(Lred) o 12.7*sin(31it*tine-0.13)Tie

Figura 2.13. Corriente de entrada del rectificador y su componente fundamental (Lr = lOmH)

Del anlisis de Fourier efectuado por PSPICE se desprende que:

2.4.2. Funcionamiento con cargas no ideales

H asta el m om ento hem os considerado que la carga del rectificador era una fuente de corriente ideal. En este apartado nos proponem os estudiar de qu m anera se m odifica el com portam iento del rectificador cuando el m odelo adoptado para la carga es ms fiel al com portam iento de los receptores reales.

DPF = cos^, = c o s (-4 5 -7 ,4 7 ) = 0,609

THDi =41,6%

de m anera que el factor de potencia queda:

70

RECTIFICA DORES CONTROLA DOS

En la m ayor parte de las aplicaciones de la rectificacin controlada, tales como la carga de bateras o el control de m otores de corriente continua, la carga admite ser m odelizada segn se indica en la figura 2.13 (red RLE en serie).

Figura 2.14. Rectificador controlado con carga RLE

Con una carga de este tipo se pueden producir dos tipos de funcionam iento en funcin del rgim en de carga. Se dice que el rectificador funciona en conduccin continua cuando la corriente no se anula nunca a lo largo de un periodo, pasando a conduccin discontinua si se anula en algn m om ento.

En conduccin continua, la tensin de salida del rectificador no se m odifica respecto a la obtenida con una carga constante.

Sin em bargo, cuando el rectificador pasa a trabajar en conduccin discontinua, la tensin de salida se m odifica de la form a que m uestra la figura 2.15.

400-

Os 10ms 20ns 3 Oras 4 Oras I(Lcarga) U(P)

Tie

Figura 2.15. Conduccin discontinua

71

SIM U LACIN D E CIRCU ITO S ELECTRNICOS D E POTENCIA C O N P S P IC E '

En esta figura puede observarse que en los intervalos de tiem po en los que la corriente perm anece a cero, la tensin de salida es igual a E.

En efecto, en ausencia de corriente, no existe tensin en bornes de la resistencia ni de la im pedancia de carga, de form a que se igualan la tensin rectificada y la fuerza electrom otriz del m otor, si la carga es un m otor, o la tensin en bornes de la batera, si el rectificador est funcionando com o cargador.

Actividad 2.5: Manteniendo Lcarga = 6mH, determinar para qu valor de la resistencia de carga el rectificador pasa a trabajar en conduccin continua.

Actividad2.6: Demostrar analticamente que el valor medio de la tensin de salida es prcticamente igual a E para valores de R carga desprec

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Simulación de Circuitos Electrónicos de Potencia Con PSPICE