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Rectificadores Document Transcript

  • 1. Rectificadores > Introducción INTRODUCIÓN Análisis General El montaje rectificador básico es el Rectificador Monofásico Simple, que consiste en un sólo semiconductor ( diodo o tiristor ) conectado en serie con una fuente de alimentación alterna sinusoidal y una carga. Así pues, para comprender un poco mejor el comportamiento de un rectificador en función de su carga, se hace un estudio genérico empleando las configuraciones más comunes, para este montaje con un sólo diodo: El Rectificador Monofásico Simple. Las cargas empleadas son: Carga R Carga L infinita Carga RC Diodo Libre Circulación Carga LC Carga RLC Carga RL Inductancia de Fuente Diodo con carga R El esquema del circuito es el siguiente: Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice Este montaje conecta una fuente de tensión alterna senoidal como fuente de alimentación. El resultado es una corriente de salida en fase con la tensión , de la misma frecuencia y amplitud. Si la tensión de entrada es de la forma: vs(t) = A·sen (v·t) ec. 1.1 -La amplitud de la corriente es (Vm / R) = (Vm / 2)- La corriente de salida será de la forma: io (t) = (A/R)·sen (v·t) ec. 1.2 La tensión de salida será de la forma: vo (t) = R·sen (v·t), para 0[vt[p/2 ec. 1.3 Así pues, los resultados de la simulación con PSpice se pueden observar en la gráfica de la izquierda. Es fácilmente apreciable como el valor de pico de la corriente de salida corresponde a la mitad del de la tensión, por ser R = 2 Ohms.
  • 2. Carga R Carga L = : Carga LC Carga RLC Carga RC Carga RL Diodo L.C. Induct. de Fuente Diodo con carga L infinita Este montaje conecta una fuente de tensión alterna senoidal como fuente de alimentación, en serie con una fuente independiente de corriente continua. El hecho de emplear como carga una fuente de corriente hace que la respuesta de salida de éste sea semejante al empleo de un inductancia de valor infinito. El esquema del circuito es el siguiente: Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice El efecto de esta inductancia infinita hace que, ente entrada senoidal, el punto de conmutación natural se retrase debido a la energía almacenada en ella, hasta tal punto que la tensión de salida se hace continua, valiendo: Por acción del diodo (ec. 2.1) vo (t) = A·sen (v·t), 0[vt[p/2 Por acción de la inductancia (ec. 2.2) vo (t) = A·sen (v·t), p/2[vt[2p Para la simulación con PSpice hemos combinado los montajes con cargas L de valor finito, L infinita (fuente de corriente), con fuente de tensión configurable por tramos. También lo conjugamos con carga L infinita y carga L finita con alimentación senoidal. -La corriente es continua, la tensión dura todo el ciclo- En las gráficas obtenidas cabe destacar, como ya hemos dicho, que la tensión de salida dura todo el ciclo (Vo1), debiéndose el ciclo negativo al efecto de la inductancia. A este modo se le denomina Inversor, pues en vez de consumirse potencia, ésta se entrega a la fuente. En cambio, para un valor finito de L (y no excesivamente elevado), el funcionamiento como Inversor dura sólo el tiempo que tarda la bobina en devolver la energía almacenada, y no todo el semiciclo. Es el caso de (Vo2). Del mismo modo, reseñar que para este caso, al cambiar la tensión de alimentación de
  • 3. positiva a negativa, o viceversa, no existe cambio en la corriente, por ser ésta continua (Io1). Sin embargo, para una inductancia de valor finito este cambio es progresivo (Io2). Carga R Carga L = : Carga LC Carga RLC Carga RC Carga RL Diodo L.C. Induct. de Fuente Diodo con carga RC El esquema del circuito es el siguiente: Hay que hacer notar que para el este estudio se emplea una fuente de tensión continua conmutada con un interruptor, que se cierra o se abre en el instante que determinemos. Para la simulación con Pspice emplearemos una fuente de tensión configurable por tramos, que nos permitirá emular los instantes de apertura y cierre del interruptor. Cuando se cierra el interruptor S en t =0, la corriente de carga i, que fluye a través del capacitor se puede determinar a partir de: ec. 3.1 ec. 3.2 Con la condición inicial de VC( t=0) = 0, la solución de la ecuación (3.1) nos da la corriente de carga i como ec. 3.3 El voltaje del capacitor Vc es ec. 3.4 donde t = R·C es la constante de tiempo de una carga RC. La velocidad de cambio en el voltaje del capacitor es ec. 3.5 y la velocidad de cambio inicial del voltaje del capacitor (cuando t = 0) se obtiente a partir de la ecuación ( 3.5 ): ec. 3.6
  • 4. La simulación con Pspice quedará como sigue: Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice. Carga R Carga L = : Carga LC Carga RLC Carga RC Carga RL Diodo L.C. Induct. de Fuente Diodo con carga RL El esquema del circuito es el siguiente: Al igual que en el estudio del montaje anterior, el esquema representa una una fuente de tensión continua conmutada con un interruptor, que se cierra o se abre en el instante que determinemos. Del mismo modo, para la simulación con Pspice emplearemos una fuente de tensión configurable por tramos, que nos permitirá emular los instantes de apertura y cierre del interruptor. Cuando el interruptor S se cierra en t = 0, la corriente i a través del inductor aumenta y se expresa como ec. 4.1 Con la condición inicial i (t = 0) = 0, la solución de la ecuación ( 4.1 ) da ec. 4.2 La velocidad de esta corriente se puede obtener a partir de la ecuación (4.2) como sigue: ec. 4.3
  • 5. y la velocidad inicial de elevación de la corriente, en t = 0, se obtiente de la ecuación ec. 4.4 El voltaje VL a través del inductor es: ec. 4.5 cuando L/R =  es la constante de tiempo de una carga RL. Si t >> LR, el voltaje a través del inductor tiende a cero y su corriente alcanza un valor de régimen permanente de Is=Vs/R. Si en ese momento se intenta abrir el interruptor S, la energía almacenada en el inductor (E=0.5·L·i2 ) se transformará en un alto voltaje inverso a través del interruptor y del diodo. Esta energía se disipará en forma de chispas a través del interruptor y es probable que el diodo se dañe en este proceso. Para resolver esta situación se conecta un diodo comúnmente conocido como diodo de marcha libre (free wheeling diode) a través de la carga inductiva. Veremos este montaje un poco más adelante. La simulación con Pspice quedará como sigue: Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice. Carga R Carga L = : Carga LC Carga RLC Carga RC Carga RL Diodo L.C. Induct. de Fuente Diodo con carga LC El esquema del circuito es el siguiente:
  • 6. Al igual que en el estudio del montaje anterior, el esquema representa una una fuente de tensión continua conmutada con un interruptor, que se cierra o se abre en el instante que determinemos. Del mismo modo, para la simulación con Pspice emplearemos una fuente de tensión configurable por tramos, que nos permitirá emular los instantes de apertura y cierre del interruptor. Cuando se cierra el interruptor S en t = 0, la corriente de carga i del capacitor se expresa como ec. 5.1 Concondiciones iniciales i (t = 0) = 0 y vc (t = 0) = 0, se puede resolver la ecuación (5.1) en función de la corriente del capacitor como ec. 5.2 donde y la corriente de pico Ip es La velocidad de elevación de la corriente se obtiene a partir de la ecuación (5.2) como ec. 5.3 y la ecuación (5.3) da la velocidad de elevación de la corriente en t = 0 como ec. 5.4 El voltaje Vc a través del capacitor se puede deducir como ec. 5.5 En un momento t = t1 =  raiz LC, la corriente del diodo i cae hasta cero y el capacitor se carga hasta 2Vs. La simulación con Pspice quedará como sigue:
  • 7. Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice. Carga R Carga L = : Carga LC Carga RLC Carga RC Carga RL Diodo L.C. Induct. de Fuente Diodo con carga RLC El esquema del circuito es el siguiente: Al igual que en el estudio del montaje anterior, el esquema representa una una fuente de tensión continua conmutada con un interruptor, que se cierra o se abre en el instante que determinemos. Del mismo modo, para la simulación con Pspice emplearemos una fuente de tensión configurable por tramos, que nos permitirá emular los instantes de apertura y cierre del interruptor. Si el interruptor se cierra en t =0 podemos utilizar la ley de las tensiones de Kirchoff para describir la ecuación de la corriente de carga i como ec. 6.1 con condiciones iniciales i(t=0) = 0 y Vc(t=0) = Vo. Al diferenciar la ecuación (6.1) y diferenciar ambos miembros entre L, obtenemos ec. 6.2 Bajo condiciones de régimen permanente, el capacitor está cargado al voltaje de fuente Vs, siendo corriente de régimen permanente cero. También en la ecuación (6.2) es cero la componente forzada de la ecuación de la corriente. La corriente se debe a la componente natural. La ecuación característica en el dominio de Laplace de s es
  • 8. ec. 6.3 y las raíces de la ecuación cuadrática (6.3) están dadas por ec. 6.4 Definiendo de antemano dos propiedades importantes de un circuito de segundo orden: Factor de amortiguamiento: ec. 6.5 Frecuencia de resonancia: ec. 6.6 Sustituyendo los valores en la ecuación (6.4) obtenemos: ec. 6.7 Entonces, la solución en función de la corriente tiene tres casos posibles: Circuito críticamente amortiguado ( I3 en la gráf.): Se da para  = o , entonces, s1=s2: ec. 6.8 Circuito sobreamortiguado ( I2 en la gráf.): Se da para  > o , entonces: ec. 6.9 Circuito subamortiguado: Se da para  <  o, entonces: ec. 6.10 donde r se conoce como la frecuencia de resonancia: ec. 6.11 La solución toma la forma de una sinusoide amortiguada ( I1 en la gráf.): ec. 6.12 Las costantes A1 y A2 se pueden determinar a partir de las condiciones iniciales del circuito. La relación / o se conoce como relación de amortiguamiento . La simulación con Pspice quedará como sigue:
  • 9. Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice. Carga R Carga L = : Carga LC Carga RLC Carga RC Carga RL Diodo L.C. Induct. de Fuente Circuito con diodo de libre circulación El esquema del circuito es el siguiente: Al igual que en el estudio del montaje anterior, el esquema representa una una fuente de tensión continua conmutada con un interruptor, que se cierra o se abre en el instante que determinemos. Del mismo modo, para la simulación con Pspice emplearemos una fuente de tensión configurable por tramos, que nos permitirá emular los instantes de apertura y cierre del interruptor. Si el interruptor S se cierra durante un tiempo t1, se establece una corriente a través de la carga; si entonces se abre el interruptor, se debe encontrar una trayectoria para la corriente de la carga inductiva. Esto se efectúa normalmente conectando un diodo DL tal y como se representa en la figura. Este diodo se denomina diodo de libre circulación o de marcha libre (en inglés, free wheeling diode). La operación del circuito se puede dividir en dos modos:
  • 10. Modo 1. Comienza cuando se cierra el intrruptor en t = 0. Acabará con la apertura del mismo en t = t1. Durante este periodo el valor de la corriente a través del diodo D será: ec. 7.1 La corriente en el instante de apertura del interruptor ( t = t1 ) es: ec. 7.2 Si el tiempo t1 es lo suficientemente largo, la corriente llega al valor de régimen permanente y una corriente Is = Vs/R fluye a través de la carga. Modo 2. Este modo comienza cuando se abre el interruptor y la corriente de carga empieza a fluir a través del diodo de marcha libre, DL . Si redefinimos el origen del tiempo al principio de este modo, la corriente a través de DL se encuentra a partir de: ec. 7.3 con la condición inicial i ( t = 0 ) = I1. La solución a la ecuación anterior da la corriente libre if = i2 como: ec. 7.4 esta corriente decae en forma exponencial hasta cero en el momento t = t2, siempre y cuando t2 >> L/R. Las formas de onda de las corrientes se pueden observar en la gráfica inferior. La simulación con Pspice quedará como sigue: Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice.
  • 11. Para el caso de Vs senoidal ( VSIN: DC=0V, AC=0V; VOFF=0V, VAMP=170V, FREC=50Hz) Con diodo de libre circulación Sin diodo de libre circulación Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice. Carga R Carga L = : Carga LC Carga RLC Carga RC Carga RL Diodo L.C. Induct. de Fuente Efecto de la inductancia de fuente. Supondremos que la carga puede ser representada por una fuente de corriente constante. Debido al valor finito de Ls, el cambio de is para pasar de +Id a -Id ( viceversa) no se hace de modo instantáneo. El intervalo de tiempo finito requerido para esa transición se denomina tiempo de conmutación, o intervalo de conmutación , y este proceso en el que la corriente cambia de un diodo ( conjunto de diodos) a otro se denomina proceso de conmutación. Para comprender el proceso completo consideraremos un circuito como el de la figura. Pulse aquí para abrir este montaje en Pspice. En un periodo anterior a t=0, el voltaje vs es negativo y la corriente Id circula a través de D2 haciendo vd=0 y is=0. Cuando vs se hace positivo, D1 queda polarizado directamente y comienzaría a conducir. Pero la presencia de Ls hace que la inversión de la corriente is no se haga instantánea, retrasando el instante de comuntación un intervalo . Así pues, el valor medio de la tensión de salida quedará reducido en función del valor de Ls. Esta reducción se puede observar en la gráfica, pues corresponde a la zona rayada en azul.
  • 12. Para calcular el valor de este área, consideraremos inicialmente la tensión en la inductancia: ec. 8.1 La parte derecha de la ecuación puede ser escrito como , entonces ec. 8.2 Integrando a ambos lados de la ecuación, y sabiendo que is va de 0 a Id durante el intervalo de conmutación , obtenemos: ec. 8.3 Así pues, el término de la izquierda representa el área de la curva marcado como A, que valdrá: ec. 8.4 Combinando las dos ecuaciones anteriores nos queda que: ec. 8.5 Cabe destacar entonces que el ángulo de conmutación puede ser calculado en todo momento como un producto de Ls, , y el incremento en la corriente a través de la inductancia. ec. 8.6 Con ésta última ecuación se confirma que para un valor nulo de Ls, se tiene que  = 0, lo que significa que la conmutación se hace de forma instantánea. Un valor de Ls distinto de cero hace que la tensión media de salida se vea decrementada. Por lo tanto, si el valor de dicha tensión para Ls = 0 es
  • 13. ec. 8.7 Con un valor distinto de cero se tiene: ec. 8.8 Pudiéndose escribir también como: ec. 8.9 Donde sustituyendo por las ecuaciones ( 8.3 ) y ( 8.7 ) obtenemos: ec. 8.10 De esto deducimos fácilmente que la reducción de la tensión media de salida es: ec. 8.11 Introducción Rectificadores > Análisis General ANÁLISIS GENERAL Tensiones de Salida En el momento del análisis de los Circuitos Rectificadores de Potencia uno de los resultados más importantes es la forma de onda de la tensión de salida. A partir de él, y dependiendo de la carga empleada, se pueden calcular las distintas corrientes que atraviesan el circuito. Esta tensión de salida será función, evidentemente, de los valores de la fuente de alimentación, y, además, del tipo de configuración empleada, entrando en juego el número de ramas que conectamos y si éstas se asocian en serie o en paralelo Así pues, existen una serie de ecuaciones genéricas que describen, en función de los parámetros p, q , s, la tensión a la salida del rectificador, tanto para los controlados como para los no controlados. Estas ecuaciones son las que se encuentran deducidas en el apartado Tensión de Salida. Por otra parte, el rectificador debe proporcionar una salida con el menor contenido armónico posible. La calidad del procesamiento de la energía por parte del rectificador requiere de la determinación del contenido armónico de la corriente de entrada, del voltaje de salida y de la corriente de salida. Bien, pues son éstos, y otros, los parámetros analizados en el apartado de Parámetros de Rendimiento.
  • 14. Análisis General Rectificadores > Análisis General > Cálculo de las Tensiones de Salida TENSIONES DE SALIDA Parámetros Rendimiento Cálculo de la Tensión Media de Salida Ideal ( Vdo ) Cosideraremos la tensión de salida ideal a aquella en la que las pérdidas debidas a los efectos de las capacidades e inductancias de los distintos componentes se consideran nulas. -Tensiones de alimentación, en estrella, de un Puente Trifásico- Tomaremos como ejemplo para este estudio la salida obtenida en un Rectificador en Puente Trifásico. En éste montaje, el número de cúpulas de salida es: p = q·s = 3·2 = 6 Así pues, cada diodo conducirá durante un periodo igual a: 2p/p = 2p/6 = p/3 = 60º Si la tensión de la fuente de alimentación es: Entonces, el cálculo de la tensión media consiste en igualar áreas, para el mismo intervalo: Tensiones de Salida Rectificadores > Análisis General > Parámetros de Rendimiento PARÁMETROS DE RENDIMIENTO Edición PSPice Análisis Armónico de la Tensión de Salida en Corriente Continua La tensión de salida de un convertidor de potencia está constituida por una componente continua, Vdo del rectificador teórico, que lleva superpuesta una componente alterna. La componente alterna produce intensidades de salida en la carga con una componente de ondulación alterna que , como sucede con motores de corriente continua, baterías, ... puede llegar a producir efectos perjudiciales en ella. Para el estudio de este efecto procederemos al Análisis de Fourier de la onda de salida. Análisis de Fourier Bajo condiciones de régimen permanente, el voltaje de los recificadores es, por lo general, una función periódica del tiempo, definida por: ec. 1 donde T es el tiempo periódico. Si f es la frecuencia en hertz del voltaje de salida, la frecuencia angular será:
  • 15. ec. 2 pudiéndose escribir la ecuación 1 como: Parámetros Rendimiento Rectificadores > Edición y Simulación con PSpice EDICIÓN Y SIMULACIÓN CON PSPICE No Controlados En esta unidad didáctica no se pretende dar una visión pormenorizada del manejo del programa PSpice de Microsim, si no simplemente tener los conocimientos suficientes para poder simular circuitos electrónicos de potencia y trabajar así sobre los resultados obtenidos. En este apartado vamos a explicar los pasos básicos para la creación de un circuito y su posterior simulación. Los pasos a seguir se detallan a continuación. Paso 1: Creación del espacio de trabajo. Arrancamos el programa MicroSim Design Manager desde su icono correspondiente . Desde el menú File>>New Workspace y en la ventana que aparezca elegimos ubicación y nombre de nuestro proyecto. Con esto crearemos un directorio donde se irán almacenando todos los ficheros que vayamos creando. Ventana New Workspace Paso 2: Cargar las bibliotecas Desde la ventana de MicroSim Design Manager ejecutamos MicroSim Schematics en o bien en el menú Tools >>Schematics. A continuación hemos de comprobar que disponemos de la biblioteca que contiene los componentes que vamos a necesitar. Para ello desde la ventana del editor de esquemas seleccionamos el menú Options >> Editor Configuration...
  • 16. -Ventana de configuración del editor- - Ventana de gestión de librerías- Pulsamos Library Settings, y en la nueva ventana con el botón Browse... buscamos nuestra biblioteca. Una vez localizada ( su ruta ha de aparecer en Library Name), pulsamos Add*, con lo que se añadirá a la lista del recuadro inferior, y luego OK. En la ventana Editor Configuration pulsamos de nuevo OK y ya lo tenemos. No olvidemos que sólo podemos tener 10 bibliotecas ( limitado por ser versión estudiante), así que hemos de eliminar las no necesarias ( se puede hacer desde Library Settings, con el botón Delete). Paso 3: Colocación de componentes Vamos a proceder a colocar un elemento. Presionamos sobre el icono superior -Ventana Get New Part- -... tras pulsar el botón Libraries...- Podemos seleccionar el elemento desde la ventana Part Browser Advanced. Una vez
  • 17. seleccionado, presionando el botón place, nos permitirá arrastrar el elemento hasta la zona donde lo queramos situar. Ahora bien, si queremos buscar un elemento en una biblioteca concreta, presionamos el botón Libraries, y en la ventana que aparezca ya podemos especificar la biblioteca ( a la derecha ) y el elemento ( a la izquierda ). Pulsamos OK y ya está. -Presionamos Place y arrastramos el elemento donde queramos.- De este modo colocamos todos los elementos que vayamos a necesitar en el circuito, y con el botón Close cerramos esta ventana. Una vez dispuestos todos los dispositivos, los reordenamos situando el cursor sobre ellos y haciendo click ( se pondrán en rojo ), y presionando el de nuevo botón izquierdo del ratón sin soltarlo lo arrastramos hasta la posición deseada. A continuación cableamos los elementos ya dispuestos. Esto se hace presionando sobre y unimos los extremos de los componentes. Ya tenemos nuestro circuito diseñado. **Nota**: No olvidar añadir en todo circuito la parte GND_GROUND, que será la referencia 0 o masa. Paso 4: Edición de parámetros de los componentes Ahora hay que editar las características de cada componente, esto es, por ejemplo, poner que el valor de la resistencia sea 25 Omhs, o la tensión de pico de una fuente de senoidal sea de 220 Volts. Esto es muy sencillo. Simplemente con doble click sobre el elemento se abrirá el menú para configurar todas las características del mismo. Simplemente es ir rellenando con nuestros datos. Pinchamos con el cursor sobre el
  • 18. Configuración de parámetros del elemento VSIN parámetro, cuyo nombre aparecerá entonces donde pone name. Hay entonces que escribir en el recuadro Value el valor que queramos darle. Para que el cambio tenga efecto hay que presionar Save Attr a cada configuración de cada parámetro. Al finalizar con todos, OK y ya está hecho. Paso 5: Edición del modelo para diodo A la hora de ajustar los parámetros de un diodo genérico, nombrado como d en las biblitecas, es importante configurar bien el modelo de diodo. Esto significa que en un archivo de texto tendremos descritos los parámetros característicos según nuestra necesidad, y los podremos cambiar cuando deseemos sin más que modificar este archivo de texto. Para ello editamos un archivo con un editor de texto plano ( como notepad, por ejemplo) con las siguientes líneas, que describen los valores de los parámetros que deseamos que tenga nuestro diodo. .model dmod d ( IS=2.22E-15 BV=1800V TT=0 CJO=0 ) <ENTER> <-------------------- linea en blanco ------------------> Este archivo lo guardaremos en el directorio UserLib que se encuentra een el directorio raíz de nuestra instalación de MicroSim. Se salvará con la extensión *.lib Para configurar el modelo del tiristor, haga click aquí. Paso 6: Aplicación del modelo. Añadimos biblioteca creada Para que lo editado en nuestro archivo .lib tenga efecto sobre nuestro circuito, se efectúa lo detallado a continuación. Desde la ventana de MicroSim Schematics vamos a Analysis >> Library and include files... Desde el botón de Browse... buscamos nuestro archivo (en este ejmplo será "mia2.lib"), y pulsamos Add Library*. Aparecerá entonces la ruta completa a este archivo en recuadro Library Files. Damos a OK. Con esto hemos logrado tener a nuestra disposición la biblioteca creada por nosotros mismos, para todos los montajes que realicemos en adelante. Ahora pasamos a la parte de la simulación.
  • 19. Paso 7: Preparando la simulación Procedemos a configurar los parámetros para la parte del análisis. Para ello pulsamos Aparecerá la siguiente ventana: Seleccionamos el análisis transitorio Por el momento sólo nos vamos a interesar por el apartado de análisis transitorio ( Transient ... ). En la ventana siguiente aparecen los siguientes campos de configuración: Editamos los parámetros de cálculo - Print Step: Especifica el intervalo usado para imprimir los resultados del análisis transitorio. Este parámetro sólo tiene efecto sobre sobre el archivo de la salida, no sobre el archivo Probe. - Final Time: Es el tiempo final hasta el cual se calcula el comportamiento del circuito. - No-Print Delay: Especifica el tiempo, a partir de cero, durante el cual no se calculará el comportamiento, tanto para el archivo de salida como para el archivo Probe. - Step Ceiling: Especifica un tiempo mayor o menor que el intervalo Print Step. Este parámetro ajusta la exactitud durante la simulación analógica, calculando más o menos puntos de la función sugún se requiera. Para que quede más claro veamos unos ejemplos de gráficas de salida según el valor de éstos parámetros: En las dos primeras gráficas se aprecia una curva senoidal con forma irregular ( aparecen algunos picos, las bases de las senoides no están bien definidas ). Aunque variemos el parámetro Print Step, no logramos mayor definición.
  • 20. -Sinusoide irregular.- -Sinusoide irregular. Print Step no la mejora- Print Step: 1ms Final Step: 50 ms No-Print Delay: [vacío] Step Ceiling: [vacío] Print Step: 0.1ms Final Step: 50 ms No-Print Delay: [vacío] Step Ceiling: [vacío] En las dos siguientes se aprecia una mayor definición de la curva, por haber variado el parámetro Step Ceiling. Además, la última de ellas ilustra el efecto del parámetro No- Print Delay. -Sinusoide mejorada gracias al cambio en Step Ceiling.- -Sinusoide recortada por el cambio en No- Print Delay.- Print Step: 0.1ms Final Step: 50 ms No-Print Delay: [vacío] Step Ceiling: 0.01ms Print Step: 0.1ms Final Step: 50 ms No-Print Delay: 4ms Step Ceiling: 0.01ms El resto de los parámetros que aparecen en la ventana de opciones no tienen ahora relevancia, por lo que no se explicarán. Tras ésta configuración, pasamos a la representación gráfica de las funciones. Paso 8: Visualizando las gráficas.
  • 21. Desde la ventana de Microsim Schematics pulsamos el icono simulate Se comienzan a calcular los valores de la salida, cuyo progreso se ve en una ventana como esta: -Progreso del cálculo de puntos del análisis transitorio.- Y a continuación se abre la siguiente ventana: -Ventana principal Microsim Probe, para visualización de gráficas.- Ahora, para visualizar las gráficas de las tensiones o corrientes en los puntos que deseemos tenemos dos opciones: -Opcion 1: Desde el editor de esquemas, pulsando los iconos colocamos bien un "voltímetro", bien un "amperímetro" en el punto del circuito que queramos. -Opcion 2: Desde el la ventana Microsim Probe, con el icono accedemos a una ventana que nos permite elegir entre múltiples funciones de salida a graficar.
  • 22. -Selección de voltajes, corrientes y funciones aritméticas a graficar.- Si bien la Opción 2 es más completa, puesto que no sólo ofrece funciones de tensión e intensidad instantánea ( que es el caso de la Opción 1 ), si no que permite calcular valores medios, valores eficaces, ecuaciones matemáticas teniendo como miembros tensiones y corrientes, ... Para nuestros primeros pasos con el programa se sugiere el empleo de la Opción 1 por su sencillez y eficacia. Hacer notar también que no es necesario presionar sobre el icono simulate cada vez que añadamos un nuevo "voltímetro" o "amperímetro". Sólo será necesario si añadimos o modificamos las características de alguno de los componentes del circuito. Así pues, siguiendo estos sencillos pasos seremos capaces de editar nuestro propio circuito y comprobar las tensiones y corrientes que circulan por él. Nota: Si desea información adicional sobre este tema consulte la Guía PSpice. Edición PSpice Rectificadores > No Controlados RECTIFICADORES NO CONTROLADOS Trifásico Simple Este tipo de rectificadores emplea como semiconductor el diodo. Se denominan de este modo porque no permiten controlar la potencia de salida, es decir, para una tensión fija de entrada la tensión de salida es también fija. Puesto que ya ha sido explicado el comportamiento para diferentes cargas del circuito rectificador más simple y básico, el rectificador monofásico de media onda, en este apartado se hará el estudio de los montajes más comúnmente empleados: - Rectificador trifásico simple.: Emplea tres ramas con un diodo cada una. La alimentación de las ramas es trifásica ( estrella o triángulo ). La salida son tres
  • 23. cúpulas por ciclo. - Rectificador hexafásico.: Emplea 6 ramas rectificadoras simples ( 6 diodos ), generando también una salida de 6 cúpulas. No obstante la potencia lograda a la salida será menor que para el caso del puente trifásico. - Rectificador monofásico de onda completa: Emplea dos ramas rectificadores en serie ( 4 diodos ), proporcionando en su salida dos cúpulas positivas de tensión por ciclo. - Rectificador en puente trifásico.: Emplea dos rectificadores trifásico simple conectados en serie, logrando 6 cúpulas de salida, lo que disminuye el rizado. -Rectificador Trifásico Simple- -Rectificador Hexafásico- -Rectificador en Puente Monofásico- -Rectificador en Puente Trifásico- En el estudio de cada rectificador se procederá a un análisis genérico y a la simulación del mismo según variaciones en su configuración, bien sea en la carga, bien en la fuente de alimentación. Para simplificar el estudio y hacerlo fácilmente comprensible se considerarán los semiconductores ideales, lo cual significa que el tiempo de recuperación inversa y la caída de voltaje directo son prácticamente despreciables ( trr = 0, VD = 0 ). El modelo empleado para el diodo ya ha sido comentado varias veces. Sus parámetros y configuración puede consultarlos aquí..
  • 24. Cabe recordar que para los rectificadores controlados el valor medio de la tensión de salida es: para una alimentación senoidal de la forma: vs (t)= Vm sen (vt + f) donde, según la notación que emplearemos: - Rectificadores Polifásicos Simples: VG = Vm = VS - Rectificadores Trifásico Serie, alimentación en estrella: VG = VS· 2cos (p/p) = Vm Las tensiones aquí reseñadas se refieren a : · Tensión Generatriz VG: Valor de pico de la tensión de salida del rectificador. · Tensión de Alimentación VS: Valor de pico de la tensión de la fuente de alimentación. · Tensión eficaz Vm: Valor eficaz de la tensión de alimentación VS. No Controlados Rectificadores > No Controlados > Trifásico Simple TRIFÁSICO SIMPLE Hexafásico Funcionamiento Simulación Se trata de un montaje que emplea un sólo grupo conmutante trifásico simple. Por lo tanto, los parámetros p, q, s estudiados son, para este caso: q = 3 s = 1 p = 3 A efectos de análisis éste montaje podría considerarse como tres rectificadores monofásicos de media onda, alimentado cada uno de ello por una tensión Vs, las cuales desfasan entre sí un ángulo 2p/p = 2p/3 = 120º Para el caso que nosotros estudiaremos, las fuentes de alimentación Vs1, Vs2, Vs3 se encuentran conectadas en estrella. Entonces, para esta configuración tenemos que: Tensión de Línea : VL = ·VM Corriente de línea: IL = IM /
  • 25. Con lo dicho, si Vs1= Vm sen (vt), tendremos que: Vs1= Vm sen (vt) Vs2= Vm sen (vt + 2p/3) Vs3= Vm sen (vt - 2p/3) Por lo tanto, atendiendo a lo comentado en el apartado de Tensiones de Salida ( ángulo cero de referencia igual a: p / 2 - p / p = p / 6 = 30º), la secuencia de conducción de los diodos es: Diodos Periodo D1 p/6<vt<5p/6 ( Vs1>{Vs2, Vs3}>0 ) D2 3p/2<vt<2p , 0<vt<p/6 ( Vs2>{Vs1, Vs3}>0 ) D3 5p/6<vt<3p/2 ( Vs3>{Vs1, Vs2}>0 ) Los convertidores trifásicos suministran un voltaje de salida más alto, y además la frecuencia de las componentes ondulatorias del voltaje de salida es mayor en comparación con los convertidores monofásicos. Como consecuencia, los requisitos de filtrado para suavizar la corriente y el voltaje de carga son más sencillos. Por esta razón los rectificadores trifásicos se emplean para la consecución de potencias de salida elevadas, superiores a 15 kW, por ejemplo, en propulsores de velocidad variable de alta potencia. Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale: En el apartado de simulación se realizarán dos montajes con diferentes variaciones: - Carga resistiva ( simulación I ). - Carga altamente inductiva e inductancia en la fuente de alimentación ( simulación II ). Rectificadores > No Controlados > Hexafásico RECTIFICADOR HEXAFÁSICO Puente Monofásico
  • 26. Funcionamiento Simulación Se trata de un montaje que emplea un sólo grupo conmutante hexafásico simple. Por lo tanto, los parámetros p,q,s estudiados son, para este caso: q = 6 s = 1 p = 6 A efectos de análisis éste montaje podría considerarse como seis rectificadores monofásicos de media onda, alimentado cada uno de ello por una tensión Vs(n), las cuales desfasan entre sí un ángulo 2p/p = 2p/6 = 60º Con lo dicho, si Vs1= Vm sen (vt), tendremos que: Vs1 = Vm sen (vt) Vs2 = Vm sen (vt + p/3) Vs3 = Vm sen (vt - 2p/3) Vs4 = Vm sen (vt - p) Vs5 = Vm sen (vt - 4p/3) Vs6 = Vm sen (vt - 5p/3) Por lo tanto, la secuencia de conducción de los diodos es: Diodos Periodo D1 /3<t<2/3 D2 0<t</3 D3 5/3<t<0 D4 4/3<t<5/3 D5 <t<4/3 D6 2/3<t< Aunque este montaje proporciona en su salida una tensión con seis cúpulas por periodo, del mismo modo que el puente trifásico, el valor de pico de dicha tensión es menor debido a que la carga se encuentra conectada a masa. Es decir, la tensión que llega a la carga es la tensión de fase, no la tensión de línea a línea. Por lo tanto este montaje propocionará una potencia menor que el rectificador en puente monofásico, con alimentación en estrella. Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale:
  • 27. En el apartado de simulación se realizará un sólo montaje, que ilustre la diferencia con con el montaje anterior: - Carga resistiva ( simulación I ). Rectificadores > No Controlados > Puente Monofásico PUENTE MONOFÁSICO Puente Trifásico Funcionamiento Simulación Se trata de un montaje que emplea dos grupos conmutantes bifásicos simples, conectados en serie. Por lo tanto, los parámetros p,q,s estudiados son, para este caso: q = 2 s = 2 p = 2 Obsérvese que en este caso en particular, el tener dos ramas en serie (s = 2), no multiplica por dos el número de fases de salida (p = 2). Esto se debe a que ambos grupos conmutantes están alimentados por la misma fuente de tensión (Vs). En este montaje cada mitad del transformador actúa como si fuera un rectificador de media onda. Así, la secuencia de conducción de los diodos es: Diodos Periodo D1, D4 0<vt<p ( Vs > 0 ) D2, D3 p<vt<2p ( Vs < 0 )
  • 28. Para un montaje con carga puramente resistiva la corriente de carga tiene una forma idéntica al voltaje de salida. En la práctica la mayor parte de las cargas son en cierta cantidad inductivas. Así pues, la corriente de carga dependerá de los valores de la resistencia de carga, R, y de la inductancia de carga, L. Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale: En el apartado de simulación se realizarán dos montajes con diferentes variaciones: - Carga resistiva ( simulación I ). - Carga resistiva e inductancia en la fuente de alimentación ( simulación II ). Rectificadores > No Controlados > Puente Trifásico PUENTE TRIFÁSICO Rectificad. Semicontr. Funcionamiento Simulación Se trata de un montaje que emplea dos grupos conmutantes trifásico simple conectados en serie. Por lo tanto, los parámetros p, q, s estudiados son, para este caso: q = 3 s = 2 p = 6 Si las fuentes de alimentación Vs1, Vs2, Vs3 se conectan entrella, el voltaje de línea es raíz de 3 veces el voltaje de fase. El ángulo de desfase entre las tensiones de fuente será para este caso 2/ 6 = 60º. Si Vs = Vm sen (t + ) Vs1:  = 0º Vs2:  = 60º Vs3:  = 120º Vs4:  = 180º Vs5:  = 240º Vs6:  = 300º Según estos ángulos quedará que: Vs1 = - Vs4 Vs2 = - Vs5 Vs3 = - Vs6
  • 29. En consecuencia, este montaje puede representarse como se muestra a continuación. Con lo dicho, si Vs1= Vm sen (t), tendremos que: Vs1= Vm sen (t + 0) Vs2= Vm sen (t + 2/3) Vs3= Vm sen (t - 2/3) La secuencia de conducción de los diodos para este caso en particular es: Diodo Periodo D1 /6<t<5/6 Vs1> Vs2 Vs1> Vs3 D2 3/6<t<7/6 Vs2< Vs1 Vs2< Vs3 D3 7/6<t<11/6 Vs1< Vs2 Vs1< Vs3 D4 5/6<t<3/2 Vs3> Vs1 Vs3> Vs2 D5 3/2<t<2 0<t</6 Vs2> Vs1 Vs2> Vs3 D6 11/6<t<2 0<t</2 Vs3< Vs1 Vs3< Vs2 Con este tipo de montaje se logran tensiones de salida mayores que las de los montajes anteriormente estudiados, reduciéndose del mismo modo la tensión de rizado, con lo que la fase de filtrado será más sencilla. Se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales, hasta el nivel de 220 kW. Recordemos que para este montaje la Tensión Media de Salida vale: En el apartado de simulación se realizarán dos montajes con diferentes variaciones: -Carga resistiva ( simulación I ). -Carga inductiva e inductancia en la fuente de alimentación ( simulación II ).