LABORATORIO 3 Rectificadores Trifásicos Carga RL

Laboratorio de Electrónica de Potencia 2013A .

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GUIA DE LABORATORIO No. 3 TEMA:

RECTIFICADORES TRIFÁSICOS NO CONTROLADO DE PUNTO MEDIO Y PUENTE GRAETZ CON CARGA R Y RL 1. OBJETIVOS a. Verificar experimentalmente las características y los parámetros de rendimiento del rectificador trifásico no controlado punto medio y puente de diodos Graetz con carga R y RL. b. Comprender y determinar experimentalmente la mejora de los parámetros de rendimiento del rectificadores trifásico con controlados en relación al los monofásicos. c. Dominar los cálculos, técnicas de simulación, diseño y montaje de circuitos de rectificadores trifásicos con diodos y efectos de las cargas c argas R y RL. d. Dominar el empleo del osciloscopio e medición con los instrumentos de corriente continua y alterna y los datos técnicos. 2. INTRODUCCIÓN

RETIFICADOR TRIFASICO NO CONTROLADO DE PUNTO MEDIO CON CARGA R Y RL. Para mayores potencias se utilizan rectificadores trifásicos y polifásicos. La serie de Fourier del voltaje de salida de los rectificadores polifásicos aumenta y la frecuencia fundamental de las armónicas y es q veces la frecuencia de la fuente (qf). A este rectificador también se le llama rectificador en estrella. El circuito rectificador de la figura 1. se puede extender a múltiples fases, si se tienen devanados polifásicos en el secundario del transformador, como se ve en la figura 3.12a. Se puede considerar que este circuito equivale a q rectificadores monofásicos de media onda. El k-ésimo diodo conduce durante el lapso en que el voltaje de la k-ésima fase es mayor que el de las otras fases. Las formas de onda de los voltajes y las corrientes se muestran en la figura 1b. El ángulo de conducción de cada diodo es 2π /q. En la figura 1b se puede notar n otar que la corriente que fluye por el devanado secundario es unidireccional, y que contiene una componente de cd. En determinado momento sólo hay un devanado secundario que conduce corriente, por lo que, el primario se debe conectar en delta para eliminar eli minar el contenido de cd en el lado de entrada del transformador. Con esto se minimiza el contenido conteni do armónico de la corriente de línea en el primario. Considerando una onda coseno desde π /q a 2π /q, el voltaje promedio de salida para un rectificador de q fases es: q  2  / q Vcd  V  t d  t V se s e n c o s ( ) ( )  m m  q 2 / q 0

Y el valor eficaz de la tensión rectificada es 1/2

Vrms

 2  / q 2 2  V c o s (  t ) d (  t )    m  2 / q 0 

1/2

 1  1 2    Vm    sen   q   2  q 2

Si la carga es puramente resistiva, la corriente pico a través de un diodo es Im = VmlR, y se puede determinar el valor eficaz (o rrns) de la corriente en un diodo di odo (o corriente en cada secundario del transformador) como:

Moisés C. Tanca Villanueva, Dr. Ing.


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 2  /q 2  2 I s   I cos (  t ) d (  t )  m  2  / q 0  

1/2

 1  1 2    I m    sen   q   2  q 2



V m R

Fig. 1. Rectificador trifásico punto medio carga R.

RETIFICADOR TRIFÁSICO NO CONTROLADO PUENTE DE DIODOS GRAETZ CON CARGA R Y RL. Un rectificador trifásico en puente Graetz se utiliza frecuentemente en aplicaciones de alta potencia, y se muestra en la figura 2. Es un rectificador de onda compLeta, y puede operar con o sin transformador, y produce rizos de seis pulsos en el voltaje de salida. Los diodos se numeran en el orden de las secuencias de conducción, y cada uno conduce durante 120°. La secuencia de conducción para los diodos es D1-D2, D3-D2, D3-D4, D5-D6 y D1-D6. El par de diodos conectados entre el par de líneas de alimentación que tienen el mayor voltaje instantáneo de línea a línea es el que conduce. El voltaje de línea a línea es V3 veces el voltaje de fase, para una fuente trifásica conectada en Y. Las formas de onda y los ángulos de conducción de los diodos se ven en la figura 2. Si Vm es el valor máximo del voltaje de fase, los voltajes instantáneos de fase se pueden describir como van (t )  Vm sen(t ); vbn (t )  Vm sen(t  120o ); vcn (t )  Vm sen ( t  240o )



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Ya que el voltaje de línea a línea está 30° adelantado al voltaje de fase, los voltajes instantáneos de línea a línea se pueden describir como: vab (t )  3  Vm sen(t  30 o ); vbc ( t )  3  Vm sen(t  90 o ); vca ( t)  3  Vm sen(  t 120 o)

Fig. 2. Rectificador de onda completa puente de diodos. El voltaje promedio de salida se determina como

2  /6 3 3 Vcd  Vm  1.654 Vm 3 Vm cos(t )d ( t )    2 / 6 0 donde V m es el voltaje máximo de fase. El voltaje eficaz (ó rms) de salida es Moisés C. Tanca Villanueva, Dr. Ing.


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1/2

Vrms

 2  /6  2 2 V  t d  t 3 cos ( ) ( )    m   2 / 6 0 

1/2

3 9 3   Vm     2 4 

 1.6554 Vm

Si la carga es puramente resistiva, la corriente máximo a través de un diodo es Im = I m  3  Vm R (que también es la corriente máximo de línea en el secundario) , y e valor eficaz (ó rms) de la corriente en cada diodo es

 4 I d    2

 /6

0

 I m cos (t ) d ( t )   2

1/2

2

1/2

2   1  1  I m    sen   6     6 2

 0.5518 I m

y el valor eficaz (ó rms) de la corriente en el secundario del transformador es

 8 I s    2

 /6

0

1/2

 I m cos (t )d ( t )   2

2

1/2

2   2  1  I m    sen   6     6 2

 0.7804  I m

Para un rectificador trifásico, q = 6, la ecuación define al voltaje instantáneo rectificada de salida es como los siguiente:

 

vo (t )  0.9549 Vm  1 

2 2 cos(6t )  cos(12 t )  ...  35 143 

Un rectificador no controlado es un procesador de energía eléctrica que debe producir una tensión continua de salida con un contenido de armónicas. La calidad de procesamiento de potencia de un rectificador no controlado requiere la determinación del contenido de armónicas de la corriente de entrada, la tensión de salida y la corriente de salida. Se pueden usar el desarrollo en series de Fourier para determinar el contenido de armónicas de tensiones y corrientes. Hay varios tipos de circuitos rectificadores no controlados, y los rendimientos de un rectificador se evalúan, en el caso normal, en función de los siguientes parámetros: El valor promedio de la tensión continua de salida (o de carga), Vcd; El valor promedio de la corriente de salida (o de carga), Icd; La potencia de salida en corriente continua, Pcd; Pcd  Vcd  I cd

El valor de raíz cuadrada media (rms) o eficaz de la tensión de salida, V rrns; El valor eficaz (rms) de la corriente de salida, Irms; La potencia de salida en corriente alterna, Pca: Pca  Vrms  I rms

La eficiencia (o razón de rectificación) de un rectificador, que es una figura de mérito, y permite comparar la eficacia, y se define como:  

P cd P ca

Se puede considerar que la tensión de salida está formado por dos componentes: 1) el valor de cd y 2) el componente de ca o rizo. El valor efectivo (rms) del componente de ca en la tensión e salida es. 2 Vca  Vrms  V cd2 El factor de forma de onda, que es una medida de la forma de la tensión de salida, es. Moisés C. Tanca Villanueva, Dr. Ing.


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FF 

V rms V cd

El factor de rizo (RF, de rippLe factor), que es una medida del contenido alterno residual, se define como. RF 

V ca V cd

Si se sustituye la ecuación, el factor de rizo se puede expresar como sigue: 2

 V  2 RF   rms   1   FF   1  V cd 

El factor de utilización de transformador (TUF, de transformer utilization factor) se define como: TUF 

P cd V s  I s

en donde, Vs e Is , son la tensión eficaz (rms) y la corriente eficaz (rms) del secundario del transformador, respectivamente. Consideremos las formas de onda de la figura , donde v s es el voltaje sinusoidal de entrada, is. Es la corriente instantánea de entrada e is1 es su componente fundamental. Si ϕ es el ángulo entre los componentes fundamentales de la corriente y la tensión de entrada, a ϕ se le llamará ángulo de desplazamiento. El factor de desplazamiento (DF de displacemen factor) se define como. DF  cos   El factor armónico (HF de harmonic factor) de la corriente de entrada se define como. HF 

I s2  I s21 I s21



I s2 I s21

1

Donde Isl es el valor eficaz de la componente fundamental de la corriente de entrada is(t). Tanto Is1 como Is, se expresan aquí en valor eficaz (rms). El factor de potencia (PF) se define como. PF 

V s  I s1 V s  I s

cos   

I s1 I s

cos  

El factor de cresta (CF, de crest factor), que es una medida de la corriente pico de entrada Is(pico) en comparación con Is, su valor eficaz (rms), es suma importancia para dimensionar y especificar las capacidades de corriente pico de los dispositivos y los componentes. El CF de la corriente de entrada se define por. CF 

I s ( pico ) I s

Observaciones: HF es una medida de la distorsión de una forma de onda, y también se llama distorsión armónica total (THD, de total harmonic distortion). 2. Si la corriente de entrada is es puramente sinusoidal, Is1 = I s, y el factor de potencia FP es igual al factor de desplazamiento DF. El ángulo de desplazamiento ϕ viene a ser el ángulo de impedancia vista desde la entrada o de la carga considerando los dispositivos del rectificador ideales, ϴ = tan-1(ωL/R) para una carga RL. 1.



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Al factor de desplazamiento DF se le conoce también como factor de potencia de desplazamiento (DPF, de displacement power factor). 4. Un rectificador ideal debería tener η = 100%, Vca =0, RF =0, TUF = 1, HF = THD =0 y FP = PDF =1. 3.

4.- PRE-LABORATORIO

Cálculo y simulación numérica de los siguientes circuitos del rectificador trifásico: punto medio (transformador con derivación) y puente Graetz : Ejemplo 1 rectificador trifásico con punto medio carga RL. Sea el circuito de la Fig. 1 calcular todos los parámetros de rendimiento de rectificador trifásico de punto medio; si el valor eficaz y nominal de la fuente de tensión ca trifásica es de 220 V. se emplea un transformador de potencia de dos secundarios con relación de transformación n=2 y la carga de cd resistiva es 84 Ω y la inductancia es de 500 mH. Verificar estos resultados obtenidos mediante programa de simulación numérica (PSIM. MATLAB, PSPICE, etc). Ejemplo 2 carga rectificador trifásico con puente de diodos Graetz carga RL Sea el circuito de la Fig. 2 calcular todos los parámetros de rendimiento de rectificador de puente de diodos Graetz, si el valor eficaz y nominal de la fuente de tensión ca trifásica es de 220 V. se emplea un transformador de potencia de dos devanados primario secundario con relación de transformación n=2 y la carga de cd resistiva es 84 Ω y la inductancia es de 500 mH. Verificar los resultados obtenidos a través de un programa de simulación numérica (PSIM. MATLAB, PSPICE, etc).

Fig. 3. Circuito de rectificador trifásico con carga RL y E

4.- MATERIALES, INTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y EQUIPOS Los siguientes dispositivos, equipos, instrumentos y materiales serán necesarios para la realización de la presente práctica: Item 1 2

3

Cantidad Descripción 1 Fuente de tensión trifásica regulable "Variac trifásico" 220 V, 25 A 3 Transformador de potencia monofásico de dos secundarios: 220/110/110 V, 60Hz. de 500 VA. 3 Transformador de potencia monofásico: 220/110 V, 60Hz. de 350 VA. 1 Amperímetro de c.a. 10 A, 5 A, 1 A


Código


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4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

2 1 1 1 2 1 1 1 6 1 1 1

Voltímetro de c.a. de 150 V, 300V Amperímetro de cd 30 A, 15 A, 5 A, Voltímetro de c.d. de 150 V, 300V Microohmímetro MPK5 (o puente Wheastone) Reostato o resistencia de 42 Ω, 5 A. Multitester para verificación de circuitos Kit de cables flexibles AWG 14 ó 2.5 mm2 Osciloscopio digital de 2 canales y 2 terminaciones Diodos de potencia SKN 46/12 Hoja de datos técnicos del diodo SKN 46/12, SKR 46/12 Resistencia shunt de 30 A, 60 mV Inductancia con núcleo de hierro de 500 mH, 220 V.

5.- PROCEDIMIENTO 5.1. Armar el circuito de la Fig. 4, correspondientes para carga RL. No olvide verificar que las conexiones sean buenas y confiables, los componentes, instrumentos de medición y fuentes que sean los indicados para los parámetros de la carga en corriente directa. Tener en cuenta los datos de diodo de la hoja técnica del fabricante (data sheet).

Fig. 4. Montaje del circuito rectificador trifásico de punto medio carga RL. 5.2. Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor, energizar el circuito con el regulador de tensión c.a. ajustando la tensión al valor nominal de la fuente trifásica. Tomar un juego de lecturas de los instrumentos para la carga indicada R y RL. Registra las lectura de los instrumentos de medición en las siguientes tablas según corresponda. Tabla No. 1. Comparación de parámetros de rendimiento teórico y experimental carga "R" # Parámetro v. teórico v. práctico # Parámetro v. teórico] v. práctico 1 Vmax [V] 13 V . [V] 2 Vcd [V] 14 I [A] 3 Icd [A] 15 Vs1 [V] 4 Pcd [W] 16 Is1 [A] 5 Vrms [V] 17 Vs2 [V] 6 Irms [A] 18 Is2 [A] 7 Pca [W] 19 St [VA] 8 Vca [V] 20 η [%] Moisés C. Tanca Villanueva, Dr. Ing.


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9 10 11 12

FF f ulso[Hz] T ulso [s] Pin [W]

21 22 23 24

TUF [%] VRRM [V] IF [A] PF

Tabla No. 2. Comparación de parámetros de rendimiento teórico y experimental carga "RL" # Parámetro v. teórico v. práctico # Parámetro v. teórico] v. práctico 1 Vmax [V] 13 V . [V] 2 Vcd [V] 14 I [A] 3 Icd [A] 15 Vs1 [V] 4 Pcd [W] 16 Is1 [A] 5 Vrms [V] 17 Vs2 [V] 6 Irms [A] 18 Is2 [A] 7 Pca [W] 19 St [VA] 8 Vca [V] 20 η [%] 9 FF 21 TUF [%] 10 f ulso[Hz] 22 VRRM [V] 11 T ulso [s] 23 IF [A] 12 Pin [W] 24 PF 5.3. Una registrado la lectura de instrumentos y salvar (tomar fotografías) todas las observaciones hechas de las formas de onda en el osciloscopio con las respectivas indicaciones de escalas de los ejes y los valores registrados por el instrumento osciloscopio. 5.4. Repetir todos los procedimientos anteriores para el rectificador trifásico puente de Graetz para carga RL, de acuerdo a la Fig. 5. Registra la lectura de los instrumentos de medición en la siguiente tabla en la columna datos experimentales, según corresponda.

Fig. 5 Montaje del circuito rectificador trifásico puente Graetz, carga RL. Tabla No. 3. Comparación de parámetros de rendimiento teórico y experimental carga "R" # Parámetro v. teórico v. práctico # Parámetro v. teórico] v. práctico 1 Vmax [V] 13 V . [V] 2 Vcd [V] 14 I [A] 3 Icd [A] 15 Vs1 [V]



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4 5 6 7 8 9 10 11 12

Pcd [W] Vrms [V] Irms [A] Pca [W] Vca [V] FF f ulso[Hz] T ulso [s] Pin [W]

16 17 18 19 20 21 22 23 24

Is1 [A] Vs2 [V] Is2 [A] St [VA] η [%] TUF [%] VRRM [V] IF [A] PF

Tabla No. 4. Comparación de parámetros de rendimiento teórico y experimental carga "RL" # Parámetro v. teórico v. práctico # Parámetro v. teórico] v. práctico 1 Vmax [V] 13 V . [V] 2 Vcd [V] 14 I [A] 3 Icd [A] 15 Vs1 [V] 4 Pcd [W] 16 Is1 [A] 5 Vrms [V] 17 Vs2 [V] 6 Irms [A] 18 Is2 [A] 7 Pca [W] 19 St [VA] 8 Vca [V] 20 η [%] 9 FF 21 TUF [%] 10 f ulso[Hz] 22 VRRM [V] 11 T ulso [s] 23 IF [A] 12 Pin [W] 24 PF 6.- CUESTIONARIO PARA LA DISCUSIÓN DE RESULTADOS 6.1. Adjunte la forma de onda experimental de la carga R y RL del rectificador trifásico no

controlado punto medio. Explique porque en valor de la frecuencia y el periodo de las pulsaciones de tensión rectificada. 6.2. Adjunto la tabla No.1 y 2 con los datos experimentales y compare con los cálculo realizados de los ejemplos (valor teórico y consideraciones de idealidades). 6.3. Trace un papel milimetrado la forma de onda de la corriente por los diodos D1, D3, D5. 6.4. Dibuje el diagrama vectorial tensiones hexafásicos a partir del banco de transformadores monofásicos 6.5. Adjunte la forma de onda experimental de la carga R y RL del rectificador trifásico no controlado puente de Graetz. Explique porque en valor de la frecuencia y el periodo de las pulsaciones de tensión rectificada. 6.6. Adjunte la tabla No.3 y 4 con los datos experimentales y compare con los cálculo realizados de los ejemplos (valor teórico y consideraciones de idealidades). 6.7. Trace un papel milimetrado la forma de onda de la corriente por los diodos D1, D3, D5. 6.8. Dibuje el diagrama vectorial tensiones de línea a línea de del banco trifásico de transformadores monofásicos. 6.8. A partir de la hoja técnica de los diodos utilizado establecer una tabla con los datos más relevante para esta práctica. Explique cada dato considerara. 7.- INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA 7.1. Investigue y dibuje el esquema de un rectificador trifásico de tensión rectificada de 18 pulsos, comente son sus parámetros de rendimiento de este tipos de convertidores CA-CC. 7.2. Investigue y pesquise al expresión y la composición armónica del rectificador de 18 pulsos y simule el circuito para observar la onda rectificada.



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8.- CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES Plantee en forma personal y clara un mínimo de cinco (5) conclusiones de la experimentación. Plantee en forma personal y clara un mínimo de tres (3) observaciones para mejorar la experiencia de las prácticas de estas pruebas.

9.- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Al final de todo documento o informe técnico se hace referencias numeradas a la bibliografía empleada y la normalización respectiva. Dar las referencias bibliográficas enumeradas de su informe de la práctica. Por ejemplo: 1. 2. 3.

Jesús Fraile Mora, “Máquinas Eléctricas”, McGraw Hill, 6ra. edición, 2008. Fitzgerald A. E. Charles Kingsley Jr, Stephen D. Umans, “Máquinas Eléctricas”, McGraw Hill, 6ra. edición, 2003. ….

APENDICE Temas resueltos y explícitos como complementario para la mejor comprensión del informe. ANEXO Todo material relacionado con la ejecución de la practica que ayude a elaborar y comprender el informe presentado.


LABORATORIO 3 Rectificadores Trifásicos Carga RL

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