final rectificadores controlados

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Laboratorio de Electrónica Industrial
INFORME FINAL
“Rectificación Controlada
Rectificación Controlada”

Experiencia
Grupo
Fecha

2

Lautaro Narvaez Paredes

8

Juan Vargas Hernández

09/11/2010

Revisado por

Nota

Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
Rectificar una señal consiste en transformar su forma de onda, generalmente sinusoidal (AC), en una señal
constante (DC) o cercana a una constante. Para realizar el proceso de rectificación recurriremos a
semiconductores (diodos, tiristores, IGBT, MOSFET, Triacs, IGCT, etc...).
La rectificación de señales se puede clasificar según el tipo de conexión como por ejemplo las conexiones
más comunes: Puente Monofásico, Trifásico Simple alimentación en estrella, Trifásico de Doble Estrella
con Bobina de Absorción y el Puente trifásico o según el grado de control que se tenga sobre la
conmutación de los semiconductores implicados, estas categorías son:
Rectificación no controlada: No se controla la conmutación de ninguno de los semiconductores,
este tipo de rectificadores se basa en la utilización de diodos.
Rectificación semicontrolada: Se controla la conmutación de algunos de los semiconductores, este
tipo de rectificadores se basa en la utilización de diodos y otros semiconductores controlables.
Rectificación controlada: Se controla la conmutación de todos los semiconductores. Este tipo de
rectificadores carecen de diodos, utilizando alguno de los otros semiconductores nombrados
anteriormente.
El control de la conmutación de los semiconductores, implica control sobre la forma de onda que se
obtendrá al realizar el proceso de rectificación, permitiéndonos variar los valores medios de dicha onda.
En esta experiencia analizamos y conectamos un rectificador puente trifásico controlado, que toma la
potencia de tres fuentes de tensión alterna que conectadas a un puente de tiristores y un filtro entrega una
señal DC. El valor de la tensión de salida es controlado por el tiempo en el que se les permite conducir a
los tiristores que están conectados a un circuito de disparo que tiene como interfaz un potenciómetro
permitiendo a través de este último manejar el ángulo de disparo del circuito.
En este informe contrastamos los resultados teóricos y de las simulaciones con los resultados
experimentales obtenidos en el laboratorio. Comparamos los parámetros como THD, PF obtenidos en el
laboratorio para distintos ángulos de disparo y analizamos el efecto de este en el contenido armónico de
las corrientes de la red. Observamos también la eficiencia del circuito y el efecto que tienen las
inductancias conectadas entre la red y el rectificador.

1


1.

INFORME FINAL
En las siguientes secciones se detallan las distintas mediciones realizadas en la experiencia
del laboratorio, así como los resultados y conclusiones. Se deben considerar los siguientes
l
detalles:
Los valores de los componentes utilizados en la carga son ‫ ܮ‬ൎ 50ሾ݉‫ܪ‬ሿ y ܴ ൎ 89.1ሾΩሿ,
ésta última se obtiene conectando en paralelo todas las resistencias del banco. Para las
inductancias de línea se considera un valor de ‫ܮ‬ௌ ൎ 3.7ሾ݉‫ܪ‬ሿ.
Las puntas diferenciales de corriente y voltaje presentan offset. A pesar d que el offset de
de
las puntas de corriente se puede corregir, para las puntas de voltaje se prefiere utilizar la
que tenga menos offset en las mediciones de salida. De esta forma, se logra ser un poco
más consecuente en la entrega de resultados y se evita obtener mediciones, por ejemplo,
mediciones,
de eficiencia mayor a 100%.

1.1

Mediciones

-Angulo 30º con carga R:
Medimos el ángulo de conmutación a través del tiempo de bloqueo de un tiristor obteniendo los
30 grados a través de una regla de 3 simple con el tiempo medido y la frecuencia de la señal:
frecuencia

Figura 1. Tensión Línea
Línea-Línea y Tensión en un tiristor
Estos 1.6 [ms] corresponden a los 30º como los 360º son a los 20[ms].

2


Tensiones de entrada y salida:
Las simulaciones entregan las siguientes formas de onda:

Figura 2. Tensión de entrada (de fase) y salida
En la salida se puede observar 6 pulsos, 2 por cada fase una por la parte positiva de la señal y la
otra por la parte negativa.
En el laboratorio obtuvimos:

Figura 3. Tensión línea línea de entrada y salida
La diferencia más clara es que las simulaciones las realizamos con los voltajes de fase mientras
simulaciones
que en el laboratorio medimos las tensiones línea a línea (358 [v] rms). La red en el departamento
además está contaminada con armónicas 5 y 7 principalmente lo que le da la forma distorsionada
a la señal de entrada.

3


Corrientes de entrada y salida:
Las simulaciones presentan los siguientes resultados:

Figura 4. Corrientes de entrada y salida
En el laboratorio vimos estas formas de onda:

Siendo las formas de onda muy similares, exepto que son mas rectas las disminuciones de la
similares,
corriente que se explica por la forma de onda de la tension que es asi por las componentes
armonicas que la vuelven mas puntiaguda.

4


-Angulo 30 grados con carga R e inductancia de linea:
Angulo

Figura 6. Tensiones de entrada y salida
Estos son los resultados de la simulación y los experimentales los siguientes:

Se puede notar que en la conmutación entre un par de tiristores y otro par existe un tiempo de
retardo que se debe al µ inducido por la L de línea. La diferencia que se puede notar entre las
señales de salidas respecto a la suavidad de la simulación debe se efecto de la diferencia de las
inductancias de línea que en las simulaciones son de 3,7[mH
3,7[mH]

5




Como se trata de una carga R la diferencia notada en las señales de tensión con respecto a la
suavidad más marcada en las simulaciones se traspasa también a las señales de corriente.
también

6


-Angulo 30 grados con carga RL e inductancia de linea:
Angulo
Tensiones de entrada y salida


La diferencia notable es la debida a las componentes armónicas de la tensión de entrada que la
hacen puntiaguda pareciendo un diente de sierra la tensión de salida. Además en las simulaciones
se ve la tensión de fase y en las mediciones se observan la tensión línea a línea.

7


Las señales son muy similares y se ven suavizadas por la componente inductiva de la carga, que
les disminuye las componentes armónicas

-Angulo 90 grados con carga RL:
Angulo
El ángulo fue calculado con la misma regla de tres ocupada para calcular el ángulo de 30º
misma
midiendo el tiempo de caída de tensión en el tiristor. Aunque, por las características del
conversor, se arruina la señal al intentar llegar hasta los 90º.

Figura 14. Tensión línea a línea y tensión en un ti
tiristor

8




Las señales presentan diferencias pues en la práctica se presentan factores que arruinan la señal
de voltaje que están fuera de nuestra completa comprensión. Pero se pueden identificar en las
dos figuras la muesca característica de la carga RL pues esta obliga a los tiristores a seguir
conduciendo durante algunos momentos aunque la tensión sea negativa.

9


Las señales son muy similares existiendo peaks en el osciloscopio provocados por el instrumento
de medición.
Funcionamiento Snubber:
Como se explicó en el preinforme, el circuito snubber tiene la función de proteger al dispositivo
semiconductor de varios eventos que pudiesen ocasionarle daños. Cabe destacar que el circuito se
compone de un condensador y una resistencia en paralelo a cada tiristor. En la siguiente figura se
muestra la corriente que circula por el snubber durante una conmutación del semiconductor

Figura 19. Circuito Snubber. a) Sin Ls b) Con Ls
Se observa la dinámica del snubber que se opone a los cambios bruscos de voltaje, limitando o
amortiguando la corriente. Adem al incluir la inductancia de línea, el efecto oscilatorio en la
Además,
oscilator
señal se ve disminuido y con una corriente significativamente menor circulando por el circuito.

10


1.2

Resumen S, P, PF y DPF

Utilizando el instrumento Hioki Power Meter se obtienen las mediciones para la potencia activa
(P), potencia reactiva (Q), potencia aparente (S), factor de potencia (PF) y factor de
desplazamiento (DPF). La siguiente tabla resume los datos medidos para distintos ángulos de
disparo φ=30° y φ=90°.
Tabla 1. Mediciones
Parámetro
P
Q
S
DPF
PF

φ = 30°
1.93[kW]
1.29[kVAr]
2.32[kVA]
0.8650
0.8307

φ = 90°
0.12[kW]
0.52[kVAr]
0.53[kVA]
0.2647
0.2212

Los resultados entregados corresponden a la suma de las tres fases, destacando que
individualmente las fases presentan valores diferentes que dependen de la carga existente para
cada caso.
Analizando la tabla 1 se pueden ver varias características que influyen en las mediciones al variar
el ángulo de disparo del rectificador.
La potencia activa disminuye al aumentar el ángulo de disparo, debido a que la tensión
media en la carga es menor. Además, se tiene que P es no nula para φ=90°, a pesar de
que teóricamente se esperaría lo contrario ya que cos(90°)=0.
La potencia reactiva aparece por la presencia de componentes inductivos en el circuito y
por los efectos no lineales del convertidor. Este último efecto predomina para 90°, ya que
como se aprecia, gran parte de la potencia aparente es reactiva.
Para el caso de la potencia aparente se verifica que se cumple la relación ܵ = ඥܲଶ + ܳ ଶ .
El factor de desplazamiento para 30° es muy similar al valor teórico esperado, ‫ܲܦܨ‬ଷ଴° =
cos 30° ≈ 0.86. Para el caso del ángulo de 90° el valor es un poco diferente ya que
‫ܲܦܨ‬ଽ଴° = cos 90° = 0. La explicación para esta discrepancia es que la teoría se basa en
que el ángulo de disparo es equivalente al desfase entre voltaje y corriente (ߙ = ߮) lo que
no se cumple exactamente en la práctica. Además, se debe tener en cuenta la presencia del
ángulo de conmutación µ, que afecta directamente al valor de DPF.
El factor de potencia es proporcional al factor de desplazamiento según ܲ‫.ܨܲ ∙ ܨܲܦ = ܨ‬
Como se observa en la tabla, ambos valores son muy similares y por ende, el factor de
distorsión no es un parámetro predominante.

11


1.3

THD del rectificador en las corrientes de entrada

Con el instrumento Hioki se miden los siguientes valores para el THD de las corrientes de
entrada. La medición se realiza con una carga RL, sin inductancias de línea y para ángulos de
disparo de 30° y 90°.

Figura 20. THD y armónicos. a) 30° b) 90°
Tabla 2. THD Corrientes de entrada
Parámetro
THD

φ = 30°
30.45%

φ = 90°
69.25%

Como se esperaba de los cálculos del preinforme, el valor del THD para el ángulo de disparo de
30° es mucho menor a cuando se dispara con 90°. Como el THD mide la distorsión de una señal,
es claro que a un mayor ángulo de disparo (dentro del rango), la deformación es mayor. Además,
un mayor ángulo disminuye la corriente y tensión en la carga, lo que hace disminuir la corriente
de entrada. El detalle es que la mayor disminución se produce en la fundamental, lo que genera
un factor de distorsión mayor.
Comparando con los valores teóricos para las mediciones, se observa que para el ángulo menor el
resultado es muy similar, pero que para 90° existe una diferencia importante. El error puede
atribuirse a las condiciones de medición, principalmente de los instrumentos o, probablemente, de
un error al momento de realizar la medición. De todas formas, se mantiene la característica para
la distorsión.
Tabla 3. THD Corrientes de entrada teórico
Parámetro
THD

φ = 30°
30%

φ = 90°
95%

Por su parte, en la figura 20 se distinguen claramente los armónicos característicos de este tipo de
rectificación (6 pulsos), 5 y 7, 11 y 13, 17 y 19, etc.
12


1.4

Efecto inductancias de línea Mínimo y máximo ángulo de disparo.
línea.

Se analiza el caso de una carga R con y sin inductancia de línea Ls, considerando un ángulo de
áng
disparo de 30°. En las siguientes imágenes se puede apreciar el efecto de Ls en los voltajes y
corrientes de entrada y salida.

Figura 21. Voltajes de entrada y salida. a) Sin Ls b) Con Ls

Figura 22. Corrientes de entrada y salida. a) Sin Ls b) Con Ls
A pesar de que en la señal de voltajes no se aprecian mayores diferencias al introducir las
ue
inductancias de línea, se tiene que éstas disminuyen la tensión línea línea en cerca de 7[V].
línea-línea
También existe una leve disminuci en el valor medio del voltaje en la carga.
én
disminución
En el caso de las formas de onda de la corriente se observa que hay una disminuci en los
disminución
valores rms de ambas corrientes. Adem al introducir las inductancias de línea, éstas actúan
Además,
ínea,
como un filtro de corriente, suavizando en cierta medida la forma de onda. Tamb
También se eliminan
los peaks de corriente que se producen durante la conmutación de los tiristores, lo que se
conmutación
convierte en una ventaja. Este r
resultado tiene la desventaja de disminuir el ángulo máximo de
m
disparo, ya que se agrega el efecto del ángulo de conmutación.
l

13


El análisis anterior se basa en las mediciones obtenidas a partir del osciloscopio. También se
puede tener una idea de lo que ocurre con el factor de potencia, las armónicas y el THD

Figura 23. Factor de potencia. a) Sin Ls b) Con Ls

Figura 24. Armónicas y THD. a) Sin Ls b) Con Ls
Se tiene que el factor de potencia se reduce levemente debido a la incorporación de las
componentes dinámicas inductivas en el circuito. También, hay una disminución de la corriente
rms fundamental y por consiguiente, disminuye el valor de la corriente total. El THD disminuye
ligeramente, lo que indica que la forma de onda de la corriente se suaviza en algún grado. Esto
concuerda con el hecho de que la inductancia actúa como una especie de filtro de corriente.

14


Para la medición de los ángulos m
máximos y mínimos de disparo se consideran las siguientes
ínimos
imágenes, además se cuenta con una carga resistiva R e inductancias de línea Ls

Figura 25. a) Mínimo ángulo de disparo b) Máximo ángulo de disparo

Figura 26. THD y armónicas. a) Mínimo ángulo de disparo b) Máximo ángulo de disparo
.
En la figura 25a) se muestra el m
a)
mínimo ángulo de disparo a partir del voltaje de un tiristor, que
r
tiristor
corresponde (según el método de medici especificado en el preinforme) a 880[us] ó 15.84°.
étodo
medición
880[
Idealmente éste debiera ser 0°, p
pero por los efectos de la inductancia de línea y del ángulo de
ínea
conmutación no es posible lograrlo. En la figura 25b) se intenta obtener el valor máximo del
ón
m
ángulo de conmutación, que equivale a aproximadamente 7[ms] o 126°. Aunque para una carga
,
p
resistiva, teóricamente el ángulo de disparo máximo debiese ser 150°, se obtiene un valor
máximo
cercano, sólo que es perturbado por los efectos antes mencionados.
En la figura 26 se muestra el resultado en el THD y el contenido armónico. Claramente se ve que
ónico.
la señal se distorsiona considerablemen con un ángulo de disparo mayor. Adem en el caso de
considerablemente
demás,
90°, los armónicos 5 y 7 poseen casi la misma amplitud de la fundamental.
ónicos

15


CONCLUSIONES
En esta experiencia se analizaron las principales características de un rectificador puente
controlado. A diferencia de la experiencia anterior, donde se utilizó un rectificador únicamente
con diodos, en ésta se introdujo la capacidad de control al contar con tiristores, lo que brinda
variadas ventajas. A través de la correcta disposición del disparo de los semiconductores se hace
posible manejar la tensión de salida. Esto último posee la dificultad de tener que contar con un
módulo que permita el correcto ajuste del disparo.
El tipo de carga con que se trabaje interviene en la conducta del sistema. El rango del ángulo de
disparo del tiristor es distinto para una carga R y una RL. Por su parte éste ángulo influye
poderosamente en la forma de onda de la corriente de entrada. El análisis de los resultados arrojó
que un mayor ángulo de disparo produce más distorsión en las señales, aumenta el THD y
distribuye el espectro de la corriente de entrada, lo que es un efecto muy indeseado para la red.
Otro efecto del disparo aparece en las distintas mediciones que se realizaron para la potencia de
entrada y los factores asociados. Al aumentar el ángulo de disparo se obtuvo que gran parte de la
potencia se convierte en reactiva, disminuyendo la eficiencia del convertidor.
En el laboratorio también se pudo apreciar el efecto de protección de un circuito snubber RC, que
actúa amortiguando la corriente que circula por el tiristor y de esta forma, evitando bruscos
cambios en la tensión.
Similar al caso del rectificador no controlado, se produce un efecto en la red y en el sistema al
agregar inductancias de línea Ls. Una vez que se incorporan, las conmutaciones no pueden
considerarse instantáneas y se presenta un pequeño retardo en el disparo del tiristor. Como se
analizó, este retardo conlleva varios efectos; uno de los principales es que disminuye el rango del
ángulo de disparo del dispositivo. El aspecto positivo es que la inductancia actúa como un filtro
de corriente suavizando la señal y eliminando los cambios bruscos de magnitud.

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