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Guía de prácticas de convertidores AC-AC por ciclo integral y controlados por fase
- 1. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA LABORATORIO TALLER SIMULACIÓN X CAMPO GUÍA DE PRÁCTICAS ESCUELA: INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA CONTROL Y REDES INDUSTRIALES CARRERA: INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN ASIGNATURA: ELECTRÓNICA DE POTENCIA 1 DOCENTE: ING. JORGE LUIS HERNÁNDEZ AMBATO PHD ESTUDIANTE: DANIELA TRUJILLO PRÁCTICA N: 09 I. TEMA: Convertidores AC-AC por Ciclo Integral y Controlados por Fase. II. OBJETIVO: 1. Analizar el funcionamiento y respuesta de circuitos de conversión AC-AC por ciclo integral y controlados por fase. III. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Los convertidores de AC a AC son conocidos también como controladores de AC debido a que son capaces de regular la potencia que se transfiere desde una fuente AC hacia una carga AC. Los elementos de control involucrados en un controlador AC son dispositivos semiconductores de potencia llamados Tiristores como SCRs y TRIACs. Sin embargo, ciertas configuraciones y operación de los controladores AC, como aquel que opera por Ciclo integral, trabaja en base al accionamiento de contactores mecánicos. Esta guía de práctica está orientada a trabajar con los controladores AC de configuración por ciclo integral y control por fase. Los primeros basan su funcionamiento en el accionamiento de contactores mecánicos, mientras que los otros trabajan en base al encendido de tiristores como los SCRs. Para mayores referencias bibliográficas, se recomienda revisar el material a continuación. Referencias • Branko, L. D. y Branko B. (2015). Power Electronics – Converters and Regulators. (12a ed). Suiza: Springer. • Hart, Daniel W. (2011). Power electronics. New York – Estados Unidos: McGraw-Hill Education. IV. INSTRUCCIONES: 1. Implementar el siguiente circuito de conversión AC-AC en Multisim NI.
- 2. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA 2. Configurar los parámetros de la fuente V2 para asegurar un voltaje de 5V, con un periodo de 5 s y un ancho de pulso de 1s. 3. Configurar una simulación de Transitorio con los siguientes parámetros: STIME = 0, TSTOP = 100 s, INITIAL CONDITIONS = “Set to Zero”. 4. Ejecutar la simulación y guardar las formas de onda resultantes. 5. Ajustar el ancho de pulso a 3 segundos y repetir la simulación guardando las formas de onda resultantes. 6. Configurar el siguiente circuito en Multisim NI. 7. Configure las fuentes V2 y V3 para asegurar ángulos simétricos de encendido de los tiristores para asegurar periodos de conducción de 6 ms en cada tiristor. 8. Ejecutar la simulación y guardar las formas de onda. 9. Reemplazar la carga por una carga RL (2.2 Ohmios y 2 mH) y repetir la simulación guardando las formas de onda resultantes para el voltaje de salida y corriente del circuito. R1 1kΩ V1 120Vrms 60Hz 0° S1 + - V2 0V 5V 1s 5s PR1 V V1 48Vrms 50Hz 0° R1 0.22Ω D1 BT151_500R D3 BT151_500R R2 2.7kΩ S1 + - V2 0V 5V 0.5ms 20ms G1 Vsg1 Vsg1 R4 2.7kΩ S2 + - V3 0V 5V 0.5ms 20ms G3 Vsg3 G1 G3 D5 1N4007G D6 1N4007G Vsg3 PR1 A PR2 V
- 3. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA V. LISTADO DE EQUIPOS, MATERIALES Y RECURSOS: 1. NI Multisim 14.1 2. Computador 3. Cuaderno de apuntes 4. Calculadora VI. ACTIVIDADES POR DESARROLLAR: 1. En todos los casos de simulación, comentar las formas de onda de voltaje y corriente obtenidos, argumentando los modos de operación de los circuitos. 2. En todos los casos de simulación, realizar comparaciones entre los valores efectivos y promedios de voltaje de salida, corriente y factor de potencia. VII. RESULTADOS OBTENIDOS: Convertidores AC-AC con control por ciclo integral El controlador AC-AC por ciclo integral tiene un funcionamiento similar a un swicht cierra el circuito permitiendo el paso de corriente y voltaje por un número determinado de ciclos y abre el circuito por otro número determinado de ciclos. Para el primer circuito vamos a establecer los siguientes parámetros: configuramos los parámetros de la fuente V2 para asegurar un voltaje de 5V, con un periodo de 5 s y un ancho de pulso de 1s. Ilustración 1 Convertidor AC con carga R y control integral La forma de onda resultante podemos ver la ilustración 2 V1 120Vrms 60Hz 0° R1 1kΩ S1 + - V2 0V 5V 1s 5s VR V I A
- 4. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA Ilustración 2 Forma de Onda de V de un circuito de conversión AC-AC con carga R con control integral Ilustración 3 Forma de Onda de I de un circuito de conversión AC-AC con carga R con control integral La forma de onda de corriente de salida podemos concluir que el circuito trabaja en DCM (modo de corriente discontinua), puesto que la corriente en un intervalo de tiempo llega a ser cero. CALCULOS TEÓRICOS • Parámetros del circuito 𝑉𝑚 = 120√2 𝑉 𝐼𝑚 = 169.7056 𝑚𝐴 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑇 = 5
- 5. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA Para obtener los tiempos de encendido y apagado nos valemos de la herramienta Show Cursors 𝑡𝑜𝑛 = 1 𝑠 𝑡𝑜𝑓𝑓 = 4 𝑠 𝑛 = 𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑓 𝑚 = 𝑡𝑜𝑓𝑓 ∗ 𝑓 𝑛 = 1 𝑠 ∗ 60 𝐻𝑧 = 60 𝑚 = 4 𝑠 ∗ 60 𝐻𝑧 = 240 • Valor Eficaz 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑚 √2 √ 𝑛 𝑛 + 𝑚 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 120√ 60 300 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 53.6656 𝑉 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 𝑅 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 53.6656 𝑉 1000 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 53.6656 𝑚𝐴 • Voltaje y corriente media 𝑉𝑜 = 1 (𝑛 + 𝑚)𝜋 ∫ 𝑉𝑚 sin(𝑤𝑡) 𝑑𝑤𝑡 𝑛𝜋 0 𝑉𝑜 = 1 (300)𝜋 ∫ 120√2 sin(𝑤𝑡) 𝑑𝑤𝑡 180𝜋 0 𝑉𝑜 = 0 𝑉 𝐼𝑜 = 0 𝐴 • Factor de Potencia 𝑓𝑝 = √ 𝑛 𝑛 + 𝑚 𝑓𝑝 = √ 60 60 + 240 𝑓𝑝 = 0.4472 = 44.72%.
- 6. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA Valores de Simulación vs Valores Teóricos Simulación Valor Teóricos Valor 𝑉 𝑝 167.1313 𝑉 𝑉 𝑚 169.7056 𝑉 𝑉 𝑜 −3.7754 𝑚𝑉 𝑉 𝑜 0 V 𝑉𝑅𝑀𝑆 53.8531 𝑉 𝑉𝑅𝑀𝑆 53.6656 𝑉 𝐼𝑝 166.5287 𝑚𝐴 𝐼𝑚 169.7056 𝑚𝐴 𝐼𝑜 −3.6349 𝜇𝐴 𝐼𝑜 0 A 𝐼𝑅𝑀𝑆 53.6570 𝑚𝐴 𝐼𝑅𝑀𝑆 53.6656 𝑚𝐴 𝑓𝑝 = 𝐼𝑅𝑀𝑆 ∗ 𝑅 𝑉𝑆𝑅𝑀𝑆 𝑓𝑝 = 53.6561𝑚𝐴 ∗ 1000 120 = 0.4471 = 44.71% Ajustar el ancho de pulso a 3 segundos Ilustración 4 Convertidor AC con ancho de pulso de 3s La forma de onda resultante podemos ver la ilustración 2 V1 120Vrms 60Hz 0° S2 + - R1 1kΩ V2 0V 5V 3s 5s PR1 A PR2 V
- 7. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA Ilustración 5 Forma de Onda de V de un circuito de conversión AC-AC con carga R con control integral Ilustración 6 Forma de Onda de I de un circuito de conversión AC-AC con carga R con control integral La forma de onda de corriente de salida podemos concluir que el circuito trabaja en DCM (modo de corriente discontinua), puesto que la corriente en un intervalo de tiempo llega a ser cero. CALCULOS TEÓRICOS • Parámetros del circuito 𝑉𝑚 = 120√2 𝑉 𝐼𝑚 = 169.7056 𝑚𝐴 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑇 = 5 𝑠
- 8. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA Para obtener los tiempos de encendido y apagado nos valemos de la herramienta Show Cursors 𝑡𝑜𝑛 = 3 𝑠 𝑡𝑜𝑓𝑓 = 2 𝑠 𝑛 = 𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑓 𝑚 = 𝑡𝑜𝑓𝑓 ∗ 𝑓 𝑛 = 3𝑠 ∗ 60 𝐻𝑧 = 180 𝑚 = 2 𝑠 ∗ 60 𝐻𝑧 = 120 • Valor Eficaz 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑚 √2 √ 𝑛 𝑛 + 𝑚 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 120√ 180 180 + 120 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 92.9516 𝑉 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 𝑅 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 92.9516 𝑚𝐴 • Voltaje y corriente media 𝑉𝑜 = 1 (𝑛 + 𝑚)𝜋 ∫ 𝑉𝑚 sin(𝑤𝑡) 𝑑𝑤𝑡 𝑛𝜋 0 𝑉𝑜 = 1 (300)𝜋 ∫ 120√2 sin(𝑤𝑡) 𝑑𝑤𝑡 180𝜋 0 𝑉𝑜 = 0 𝑉 𝐼𝑜 = 0 𝐴 • Factor de Potencia 𝑓𝑝 = √ 𝑛 𝑛 + 𝑚 𝑓𝑝 = √ 180 180 + 120 𝑓𝑝 = 0.7746 = 77.46%
- 9. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA Valores de Simulación vs Valores Teóricos Valor Valor 𝑉 𝑝 168.1426 𝑉 𝑉 𝑝 169.7056 𝑉 𝑉 𝑜 −3.6344 𝑚𝑉 𝑉 𝑜 0 𝑉 𝑉𝑅𝑀𝑆 92.9455 𝑉 𝑉𝑅𝑀𝑆 92.9516 𝑉 𝐼𝑝 163.0979 𝑚𝐴 𝐼𝑝 169.7056 𝑚𝐴 𝐼𝑜 −3.6341 𝜇𝐴 𝐼𝑜 0 𝐴 𝐼𝑅𝑀𝑆 92.9455 𝑚𝐴 𝐼𝑅𝑀𝑆 92.9516 𝑚𝐴 𝑓𝑝 = 𝐼𝑅𝑀𝑆 ∗ 𝑅 𝑉𝑆𝑅𝑀𝑆 𝑓𝑝 = 92.9455 𝑚𝐴 ∗ 1000 120 = 0.7745 = 77.45 Convertidores AC-AC controlado por fase En el control de ángulo fase los tiristores conectan la carga a la fuente de CA durante una porción de cada ciclo de voltaje de entrada. El flujo de potencia hacia la carga queda controlado retrasando el ángulo de disparo del tiristor. El voltaje de salida y la corriente de entrada son asimétricos. Carga Resistiva Ilustración 7 Convertidor AC por control de fase carga R V1 48Vrms 50Hz 0° R1 0.22Ω D1 BT151_500R D3 BT151_500R R2 2.7kΩ S1 + - V2 0V 5V 0.5ms 20ms G1 Vsg1 Vsg1 R4 2.7kΩ S2 + - V3 0V 5V 0.5ms 20ms G3 Vsg3 G1 G3 D5 1N4007G D6 1N4007G Vsg3 PR1 A PR2 V
- 10. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA El circuito de la ilustración 7 es bidireccional o lo que significa que existe control en ambas fases, durante el semiciclo de voltaje de entrada, se controla el flujo de potencia variando el ángulo de retraso del SCR D1, y el SCR D2 controla el flujo de potencia durante el semiciclo negativo del voltaje de entrada, los pulsos de disparo de D1 y D2 se conservan a 180 grados Ilustración 8 Formas de Onda del voltaje de un convertidor AC por control de fase carga R CALCULOS TEÓRICOS • Parámetros del circuito 𝑉𝑚 = 48√2 = 67.8823 𝑉 𝐼𝑚 = 𝑉𝑚 𝑅 = 308.5557 𝐴 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 6 𝑚𝑠 − −> 𝛼 = 4 𝑚𝑠 ∝= 2𝜋 5 𝑟𝑎𝑑 • Valor Eficaz (𝐼𝑟𝑚𝑠, 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆) 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑚 √2 √1 − 𝛼 𝜋 + sin (2𝛼) 2𝜋 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 48 √ 1 − 2𝜋 5 𝜋 + sin (2 ∗ 2𝜋 5 ) 2𝜋
- 11. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 39.9742𝑉 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 𝑅 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 181.7009 𝐴 • Voltaje y corriente media (𝑉𝑜, 𝐼𝑜) 𝑉𝑜 = 1 𝜋 ∫ 𝑉𝑚 sin(𝑤𝑡) 𝑑𝑤𝑡 𝜋 𝛼 𝑉𝑜 = 0 𝑉 𝐼𝑜 = 𝑉𝑜 𝑅 = 0 𝐴 • Factor de Potencia 𝑓𝑝 = √1 − 𝛼 𝜋 + sin (2𝛼) 2𝜋 𝑓𝑝 = √ 1 − 2𝜋 5 𝜋 + sin (2 ∗ 2𝜋 5 ) 2𝜋 𝑓𝑝 = 0.8328 = 83.28 % Valores de Simulación vs Valores Teóricos Simulación Valor Teóricos Valor 𝑉 𝑝 60.3126 𝑉 𝑉 𝑝 67.8823 𝑉 𝑉 𝑜 −51.2333 𝑚𝑉 𝑉 𝑜 0 𝑉 𝑉𝑅𝑀𝑆 35.8207 𝑉 𝑉𝑅𝑀𝑆 39.9742𝑉 𝐼𝑝 272.2250 𝐴 𝐼𝑝 308.5557 𝐴 𝐼𝑜 −92.1591 𝑚𝐴 𝐼𝑜 0 𝐴 𝐼𝑅𝑀𝑆 161.7421 𝐴 𝐼𝑅𝑀𝑆 181.7009 𝐴
- 12. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA Carga Inductiva Ilustración 9 Convertidor AC por control de fase carga RL En la práctica la mayor parte de las cargas son hasta punto inductivas, cuando D1 se dispara durante el semiciclo y conduce la corriente de carga, dada la inductancia del circuito cuando el voltaje de entrada empieza a ser negativo, en 𝑤𝑡 = 𝜋, la corriente del scr D1 no se reducirá a 0. D1 seguirá conduciendo hasta que su corriente llegue a 0 en 𝑤𝑡 = 𝛽. El ángulo de conducción de D1 es 𝛿 = 𝛽 − 𝛼 y dependiendo del retraso 𝛼y del angiulo del factor de potencia y de la carga. Ilustración 10 Formas de Onda del voltaje de un convertidor AC por control de fase carga RL V1 48Vrms 50Hz 0° S1 + - R1 2.2Ω V2 0V 5V 0.5ms 20ms D5 1N4007G R2 2.7KΩ D1 BT151_500R G1 G1 Vsg1 Vsg1 S2 + - V3 0V 5V 0.5ms 20ms D3 1N4007G R3 2.7KΩ G3 Vsg3 D2 BT151_500R G3 Vsg3 L1 2mH PR1 V PR2 A
- 13. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA CALCULOS TEÓRICOS • Parámetros del circuito 𝑉𝑚 = 48√2 = 67.8823 𝑉 𝐼𝑚 = 𝑉𝑚 𝑅 = 30.8556 𝐴 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 6 𝑚𝑠 − −> 𝛼 = 4 𝑚𝑠 ∝= 2𝜋 5 𝑟𝑎𝑑 𝜔 = 2𝜋𝑓 = 100𝜋 = 314.1592 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝜔𝐿 = 0.6283 𝑧 = √(𝑅2 + (𝜔𝐿)2) = 2.2880 Ω 𝜃 = tan−1 ( 𝜔𝐿 𝑅 ) = 0.2782 𝑟𝑎𝑑 𝜔𝜏 = 𝜔𝐿 𝑅 = 0.2856 rad • Corriente de carga (cálculo de 𝛽) 𝑖(𝜔𝑡) = 𝑉𝑚 𝑍 [𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝜃) − 𝑠𝑒𝑛(∝ −𝜃) ∗ 𝑒(−𝜔𝑡+∝)/𝜔𝜏 ] 𝑠𝑒𝑛(𝛽 − 0.2782) − 𝑠𝑒𝑛 ( 2𝜋 5 − 0.2782)𝑒 −𝛽+ 2𝜋 5 0.2856 = 0 𝛽 = 3.4194 𝑟𝑎𝑑 • Valor Eficaz 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑚 √2 √ 𝛽 𝜋 − 𝛼 𝜋 − sin(2𝛽) 2𝜋 + sin(2𝛼) 2𝜋 𝑉𝑜𝑅𝑀𝑆 = 40.1031 𝑉 𝐼𝑟𝑚𝑠 = √ 1 𝜋 ∫( 𝑉𝑚 𝑍 [𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝜃) − 𝑠𝑒𝑛(∝ −𝜃) ∗ 𝑒(−𝜔𝑡+∝)/𝜔𝜏])2. 𝑑𝑤𝑡 𝛽 𝛼 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 16.5540 𝐴
- 14. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA • Voltaje y corriente medio 𝐶𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝛼+ = 𝛼− 𝐼𝑜 = 0 𝐴 𝑉𝑜 = 0 𝑉 • Factor de Potencia 𝑓𝑝 = √ 𝛽 𝜋 − 𝛼 𝜋 − sin(2𝛽) 2𝜋 + sin(2𝛼) 2𝜋 𝑓𝑝 = √3.4194 𝜋 − 2𝜋 5 𝜋 − sin(2 ∗ 3.4194) 2𝜋 + sin (2 ∗ 2𝜋 5 ) 2𝜋 𝑓𝑝 = 0.8355 = 83.55 % Valores de Simulación vs Valores Teóricos Simulación Valor Teóricos Valor 𝑉 𝑝 67.5601 𝑉 𝑉 𝑝 67.8823 𝑉 𝑉 𝑜 1.2170 𝑚𝑉 𝑉 𝑜 0 𝑉 𝑉𝑅𝑀𝑆 39.3830 𝑉 𝑉𝑅𝑀𝑆 40.1031 𝑉 𝐼𝑝 27.8634 𝐴 𝐼𝑝 30.8556 𝐴 𝐼𝑜 2.8214 𝑚𝐴 𝐼𝑜 0 𝐴 𝐼𝑅𝑀𝑆 16.0811 𝐴 𝐼𝑅𝑀𝑆 16.5540 𝐴 VIII. CONCLUSIONES: • El manejo de alta potencia es necesario ahora en la actualidad con la demanda energética que presenta el país. Por ello los convertidores AC-AC son esenciales ya que tiene un amplio uso en la industria para aplicaciones como atenuadores de luz, controladores de motores de corriente alterna, controladores de calor, sistemas de alimentación ininterrumpida son algunos ejemplos de los convertidores AC-AC. • El conversor está constituido por dispositivos semiconductores de potencia junto con elementos de circuitos pasivos. Los dispositivos semiconductores operan como conmutadores, donde la operación
- 15. FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA de encendido y apagado está controlada de tal manera que la fuente de energía eléctrica, en los terminales de entrada del convertidor, es vista con características diferente en sus terminales de salida • El controlador AC-AC por ciclo integral nos permite trabajar con tiempos de encendido y apagado, los cuales podemos definirlos mediante un contactor (elemento que controla este circuito en esta configuración), en cambio los controladores AC por fase se caracterizan por tener incorporados en su circuito a dos SCRs en antiparalelo, lo que podemos hacer gracias a estos dos dispositivos semiconductores es controlar el ángulo de disparo a través de la compuerta gate de los mismos, en el caso de la simulación realizada se trabajó con ángulos 𝛼 iguales tanto para el ciclo positivo y negativo, a través de este tipo de graficas de salida podemos darnos cuenta además que la onda del semiciclo positivo es simétrica a la del semicilo negativo, por lo que se puede concluir que los valores de tensión y corriente media en esta configuración y en este caso serán cero. IX. RECOMENDACIONES: • Para realizar los cálculos de una manera más optima es necesario utilizar algún software en este caso se utilizó WolframAlpha, especialmente si queremos hallar el ángulo de extinción de la corriente o a su vez resolver las integrales. • Para un correcto funcionamiento del circuito a implementar es necesario tener en cuenta cada parámetro como el tipo de fuente, orientación de las puntas o sondas especialmente en las de corriente y no olvidarse de poner el ground en cada circuito. • Repasar los conceptos teóricos para que la practica sea mucho más comprensible y poder verificar que las formas de ondas son correspondientes a las esperadas. Fecha de presentación: 18/2/2021 -------------------------------- Sr(ita). Daniela Trujillo Estudiante ---------------------------------- Ing. Jorge Hernández Ambato, PhD Profesor