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E. T. S I. INDUSTRIALES DE MADRID U. P. M.
DEPARTAMENTO DE AUTOMTICA INGENIERA ELECTRNICAE INFORMTICA INDUSTRIAL
DIVISIN DE INGENIERA ELECTRNICA
PRCTICAS DE LABORATORIO
1
RECTIFICACION CONTROLADA
PEDRO HERRANZ BALCZAR
OCTUBRE 2010
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RECTIFICACION CONTROLADA
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1.-INTRODUCCION.
En un elevado nmero de aplicaciones industriales, resulta necesario suministrar energa elctrica cuya
potencia entregada a una carga sea fcilmente modificable. Esto es comn en los casos de cargadores de bateras,
variadores de velocidad de motores, excitacin de mquinas sncronas, etc.
Con el fin de controlar la potencia entregada a la carga en los circuitos rectificadores, se utilizan
rectificadores controlados de silicio (SCR)en lugar de los tpicos diodos rectificadores.
El control se lleva a cabo retrasando la entrada en conduccin de estos dispositivos en un ngulo a partir
del instante en que la tensin nodo-ctodo se hace positiva; este ngulo se denomina ngulo de control o
ngulo de retardo en el disparo.
Pueden diferenciarse dos tipos de rectificadores controlados; aquellos formados exclusivamente por
tiristores conocidos como Rectificadores Totalmente Controlados, y los que incorporan diodos y tiristores llamados
Rectificadores Semicontrolados.
En esta prctica se pretende el estudio de la rectificacin monofsica controlada comprobando el
funcionamiento y las caractersticas de dos circuitos rectificadores de estructura puente:
- Rectificador totalmente controlado monofsico.
-Rectificador semicontrolado monofsico.
Con su estudio se pretenden comprobar las diferencias entre las tensiones de salida y las caractersticas de
regulacin de estos dos tipos de rectificadores. Por otro lado se quiere observar la influencia del tipo de cargasobre
los valores de tensin y corriente de salida.
Adems para conseguir un correcto funcionamiento de estos rectificadores, es necesario abordar el diseo
de un circuito de mandoapto para controlar adecuadamente el ngulo de retardo en el disparo de los tiristores que
conforman el rectificador controlado.
2.- DESCRIPCION DEL CIRCUITO DE POTENCIA.
2.1.- Rectificador totalmente controlado.
El circuito rectificador est formado por cuatro tiristores T1, T2, T3 y T4 dispuestos en una estructura
monofsica puente, tal como se ve en la figura 1; la impedancia de carga puede ser de tipo inductivo, resistivo o
combinacin de ambas, pero parael estudio terico se supondrla presencia de una inductancia en la carga lo
suficientemente elevada como para garantizar que la corriente de carga no se hace discontinua en ningn
momento; la conduccin de corriente a travs de sta no se establecer en tanto no se disparen adecuadamente los
tiristores. La secuencia de disparo correcta es la que permite que conduzcan a la vez los tiristores T1y T2durante un
semiciclo, y los tiristores T3y T4durante el siguiente semiciclo.
Debido a la presencia de la inductancia en la carga, la conduccin de corriente a travs de los
tiristores se prolonga mas all del paso por cero de la tensin de alimentacin, obtenindose como
consecuencia una tensin a la salida con una porcin del semiciclo negativo.
En la figura 1 pueden observarse las formas de onda de la tensin y corriente en la carga, corriente en los
tiristores, tensin en extremos del tiristor T1y los impulsos de disparo proporcionados por el circuito de control.
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Fig. 1.- Rectificador monofsico totalmente controlado.
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El valor de la tensin media Umedque se obtiene en la salida del rectificador, supuesto que la corriente en la carga
no se interrumpecomo sucede en la figura 1, tiene como expresin:
donde Umaxes el valor de pico de la tensin del secundario del transformador de alimentacin, y el ngulo de retardo
en el disparo de los tiristores. Por otro lado, en esta ecuacin no estn incluidas las cadas de tensin en los tiristores
y en la resistencia del bobinado del transformador, conexionado del circuito, etc.
2.2.- Rectificador semicontrolado
La figura 2 muestra un rectificador semicontrolado de estructura puente. Si se compara este circuito con el
anterior, se observa que se han sustituido dos tiristores (T4y T2) por dos diodos (D4y D2).
En este circuito los tiristores entran en conduccin cuando les llega un impulso de disparo con un ngulo
de retardo, mientras que los diodos conmutan cuando la tensin nodo-ctodo se hace positiva. La tensin en la
carga nunca es negativa y alcanza el valor cero para = 180.
La presencia del diodo de libre circulacin evita que la tensin de salida sea negativa, aunque esto mismo
sucedera sin la presencia de dicho diodo. Esto es as ya que despus del paso por cero de la tensin de red y antes
que el tiristor T3 se dispare, el tiristor T1 contina conduciendo (debido a la carga inductiva), producindose una
transferencia de la corriente de retorno desde el diodo D2al D4proporcionando as un camino de libre circulacin para
la corriente de carga. En estas circunstancias, el valor de la corriente is suministrada por el secundario del
transformador es nulo.
El diodo de libre circulacin supone un camino preferente para la corriente de carga, que circular por ste
antes que por la rama formada por un SCR en serie con un diodo.
Si se compara con el rectificador controlado, el semicontrolado resulta ms barato, pero la corriente alterna
en el secundario del transformador is est ms distorsionada debido a los periodos de valor nulo; por otra parte el
puente semicontrolado no puede trabajar en modo de inversin.
cosmaxU2
=Umed
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Fig. 2.- Rectificador monofsico semicontrolado.
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3.- DESCRIPCION DEL CIRCUITO DE CONTROL
La figura 3 muestra el esquema elctrico del circuito de control de disparo de los tiristores, que utiliza el
circuito integrado UAA146 de Telefunken como componente principal.
El circuito de control debe generar los impulsos necesarios para disparar los tiristores T1yT2en el mismo
instante, con un desfase de 180 respecto de los impulsos de disparo de los tiristores T3 y T4 para el puente
totalmente controlado, con una frecuencia igual a la de la seal que se desea rectificar (50Hz) y sincronizados con
sta. En el caso del puente semicontrolado solamente es preciso generar los impulsos de disparo de los tiristores T1y
T3con un desfase de 180 y frecuencia de 50Hz.
El funcionamiento del circuito integrado UAA146, base del circuito de control, puede explicarse con ayuda
del esquema de bloques de la figura 4. Este consta de una etapa de sincronizacin, un generador de rampa, un
comparador de tensin, un generador de pulsos, una etapa de seleccin de canaly dos amplificadores de
salida.
Fig. 3.- Circuito de control.
Rp
Cs
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El esquema elctrico del circuito integrado se muestra en la figura 5.
Fig. 4.- Diagrama de bloques del C.I. UAA146.
Fig. 5.- Esquema elctrico interno del C.I. UAA146.
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Etapa de sincronizacin
El pin nmero 9 del circuito integrado se conecta mediante un divisor de tensin a la lnea de alimentacin
de corriente alterna. En esta etapa de sincronizacin se genera un pulso de sincronismo en cada paso por cero de la
tensin alterna; la duracin del pulso depende del valor de la resistencia R p. Adems de generar pulsos en cada paso
por cero, esta etapa tiene tambin como misin el generar las seales de bloqueo que se precisan en la etapa de
seleccin de canal.
Generador de rampa
El transistor T7 del circuito integrado amplifica los pulsos de sincronismo generados en la etapa anterior.
Durante el proceso de sincronismo el condensador CS, conectado al pin n 7 se carga hasta la tensin zener del diodo
Z4, aproximadamente 8,5 V, siendo el tiempo de carga inferior a la duracin del pulso de sincronismo. El condensador
se descarga a travs de la resistencia RSdurante cada semiciclo. La tensin de descarga est fijada por la tensin
zener del diodo Z3. Para asegurar una forma de onda en rampa se permite descender la tensin hasta un valor de 0,7
CSRS. En la figura 6 puede verse el montaje fsico de la tarjeta de control.
Fig. 6.- Tarjeta del circuito de control.
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Comparador y memoria
En esta etapa, se comparan la seal en rampa y la tensin V
que controla el valor del ngulo de retardo
en el disparo conectada al pin n 8. El comparador bascula siempre que el valor instantneo de la rampa iguala al
valor de V
; entonces enva una seal de SET a la memoria del circuito y ordena el disparo de un tiristor. El diseo del
circuito es tal que el contenido de la memoria se borra solamente durante los pulsos de sincronismo. La seal RESET
anula siempre la seal SET, esto impide de una forma efectiva que se generen pulsos adicionales en las salidas.
Generador de pulsos
La seal de SET para la memoria dispara tambin un multivibrador monoestable; la duracin del pulso
suministrado por el monoestable est determinada por los valores de los componentes Cty Rtconectados a los pines
nmeros 2 y 11 respectivamente.
Selector de canal y amplificador de salida
Fig. 7.- Seales en los pines del C.I. UAA146.
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Las seales que proceden del generador de pulsos se aplican a las bases de los transistores de salida T19y
T20 a travs de puertas OR que se controlan con las seales de bloqueo generadas en la etapa de sincronismo.
Durante el semiciclo positivo de la tensin de red no se aplica ninguna seal al transistor T19 desde la etapa de
sincronizacin, de esta manera se obtiene un pulso de salida en el pin 14 al no conducir este transistor; durante el
semiciclo negativo sucede lo mismo con el transistor T20 obtenindose un pulso de salida en el pin 10 del circuito
integrado desfasado 180 respecto del anterior.
Etapa final de amplificacin
Los transistores T1y T2del circuito de control de la figura 3, amplifican los pulsos de salida de los pines 10 y
14 del circuito integrado. Esto permite suministrar una corriente adecuada a los circuitos de aislamiento y disparo de
los tiristores del circuito de potencia.
La figura 7 muestra las formas de onda de tensin que pueden observarse en varios puntos del circuito
integrado. Todas las seales estn dibujadas tomando como referencia de tiempos la seal de sincronismo mostrada
en parte superior de la figura.
4.- DESCRIPCION DEL CIRCUITO DE AISLAMIENTO
Es prctica habitual procurar que exista una separacin elctrica entre los ci rcuitos de control y los
de potencia. Esta separacin o aislamiento es necesaria en este caso puesto que los ctodos de los distintos
tiristores no estn conectados a un punto comn de referencia. En esta prctica se utilizan fotoacopladores MCT2
para realizar este aislamiento.
El mdulo de aislamiento aloja cuatro fuentes de alimentacin independiente destinada cada una al disparo
de un tiristor. La tensin de cada fuente se aplica entre los terminales de puerta (G) y ctodo (K) de cada tiristor a
travs de un transistor, que funciona como interruptor en serie, T 1 en la figura 8, y cuya conduccin depende del
estado de corte o saturacin del fototransistor conectado a su base.
El diodo emisor de dicho foto acoplador recibe un pulso de tensin que procede de una de las salidas del
circuito de control y excita por medio de fotones al transistor foto acoplado; la conduccin de ste provoca la
saturacin del transistor serie T1y como consecuencia la tensin de la fuente aparece en los terminales de salida
provocando el disparo del tiristor correspondiente.
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Fig. 8b.- Tarjeta con cuatro unidades de aislamiento.
5.- REALIZACION PRCTICA
Para la realizacin de la prctica en cada puesto de trabajo se dispone de:
- Placa del transformador reductor de tensin 220V/15V, figura 9.
- Placa del circuito de control para generar los impulsos de los disparos de los tiristores, figura 6.
- Placa del puente rectificador monofsico totalmente controlado, figura 12.
- Placa del puente rectificador monofsico semicontrolado, figura 15.
- Placa de circuitos de aislamiento para los impulsos de disparo de los tiristores, figura 8b.
Fig. 8.- Unidad de aislamiento.
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Fig. 9.- Placa del transformador reductor de tensin.
- Resistencia y bobina de carga, figuras 10 y 10b.
- Fuente de alimentacin simtrica de 15V/1A.
- Osciloscopio de dos canales OD-416.
- Polmetro y cables de conexin.
Fig. 10.- Resistencia de carga de 90 .
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Fig. 10b.- Inductancia de 150 mH.
El transformador se alimenta de la red de 220V y proporciona tensin alterna reducida al puente rectificador.
A la salida del puente rectificador se conecta la carga, que puede ser resistiva pura, inductiva pura o resistivo-
inductiva.
El circuito de control se alimenta con una tensin de continua simtrica de 15 V; recibe la seal de
sincronismo desde el secundario del transformador reductor y enva las seales de disparo a los tiristores a travs de
los circuitos de aislamiento. La salida de cada circuito de aislamiento se conecta al circuito puerta-ctodo de cada
tiristor.
Es necesario disparar a la vez las parejas de tiristores T1 - T2 y T3 - T4 del puente controlado y con un
desfase de 180 entre una pareja y otra. Los tiristores T 1y T3del puente semicrontrolado se gobiernan con impulsos
de disparo desfasados 180.
6.- EJERCICIOS A REALIZAR
6.1.- Rectificador totalmente controlado
1.- Seleccionar el modo de funcionamiento simtrico (TRACK) en la fuente de alimentacin de corriente
continua FAC-662B y ajustar la tensin de salida a 15 V.
2.- Suministrar la tensin de continua de 15 V a la tarjeta de control y conectar la salida del transformador
reductor a la entrada de sincronismo de la tarjeta de control tal como se ve en la figura 11.
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3.- Conectar la salida del transformador reductor a la entrada de la tarjeta del rectificador totalmente controlado,
figura 12, y a su salida una carga puramente resistiva de 90 .
4.- Llevar los impulsos generados por la tarjeta de control a la placa de aislamiento conectando las salidas de
sta a los circuitos puerta-ctodo de los tiristores del rectificador totalmente controlado segn el esquema de
la figura 13.
5.- Observar la forma de onda de la tensin de salida del rectificador controlado para diferentes ngulos de
disparo; dibjese para los valores de igual a 60, 90, 120 y 150. Se medir para cada valor de el
valor de la tensin media rectificadaUmedutilizando un medidor de corriente continua.
Fig. 11.- Conexionado externo de la placa de control.
Fig. 12.- Placa del rectificador totalmente controlado.
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6.- Conectar una carga R-Lformada por una resistencia de 90 y una bobina de 150 mH conectadas en serie
a la salida del rectificador controlado; dibujar las formas de onda de la tensin e intensidad en la carga para
los mismos valores del ngulo disparo que en el apartado anterior midiendo el valor de la tensin media.
Se medir el ngulo para el que la intensidad a travs de la carga se hace discontinua.
Fig. 14.- Formas de onda de tensin y corriente en la carga R-L.
Fig. 13.- Esquema de montaje del rectificador controlado.
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6.2.- Rectificador semicontrolado
1.- Sustituir el puente totalmente controlado por el semicontrolado (figuras 15a y 15b) y repetir las medidas de
tensin en la carga anteriores para carga R-L y dibujar la formas de onda de tensin e intensidad (figura
16).
Fig. 15b.- Esquema de montaje del rectificador semicontrolado.
Fig. 15a.- Placa del rectificador semicontrolado.
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Fig. 16.- Formas de onda de tensin y corr iente con carga R-L.
2.- Observar en el osciloscopio la corriente por la carga y deduciry dibujarla forma de onda de la corriente
que pasa por eldiodo de libre circulacin; recuerde que dicho diodo conduce la corriente de carga en los
instantes en que el valor de la tensin de salida es cero o ligeramente negativa (-1v aprox.).
6.3.- Circuito de control
1.- Observar las formas de onda obtenidas en los puntos de prueba de la tarjeta de control que corresponden a
los siguientes pines del circuito integrado:
Punto Seal
9 Seal de sincronismo
16 Pulso de sincronismo
7 Tensin en rampa
2 Formacin pulso seal control
Adems de las anteriores observar latensin V
entre el cursor del potencimetro de control y el punto de
0v y los pulsos de salidaentre los bornes rojos de salida de la placa y el borne negro de 0v.
2.- Rellene la memoria de la prctica con los datos obtenidos, desconecte el circuito y recoja la mesa de
trabajo.