Rectificadores controlados

Guía del Laboratorio de Electrónica de Potencia - Dpto. de Electrónica y Comunicaciones - UC
Laboratorio de Electrónica de Potencia
Práctica 3
Nombre: ________________________________
No. Cédula: ____________
Rectificadores controlados
Objetivo General: Utilizar el OrCAD para simular y analizar circuitos rectificadores controlados,
tanto monofásicos como trifásicos, con el fin de obtener los voltajes y corrientes, así como los
valores de potencia y otros parámetros que miden la calidad de dichos circuitos.
Objetivos Específicos: Dado un circuito rectificador controlado, simular y analizar su
funcionamiento para obtener lo siguiente:
•
•
•
•
•
•
Formas de onda de los voltajes y corrientes
Potencia media en la carga
Valores medios de corrientes y voltajes
Valores eficaces (rms) de corrientes
Contenido armónico de corrientes y voltajes
Factor de potencia del circuito
1) Rectificador controlado monofásico tipo puente
Construya con el OrCAD el circuito mostrado en la Figura 1, con los valores Vs(rms) = 120 V, f =
60 Hz, R=5Ω, L=100 mH, Ls=2mH y utilizando el modelo TIRISTOR para los SCR. Este modelo se
debe anexar a las librerías del proyecto que se creó (ver Anexo).
Figura 1
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1.1) Modo discontinuo
a. Con Vdc=80 V, obtenga las formas de onda de la tensión en bornes de entrada al
rectificador, en bornes de la carga y en bornes de uno de los tiristores; así como las formas
de onda de la corriente en la carga, en la fuente y en uno de los tiristores. Considere
solamente el régimen permanente. Verifique que efectivamente se está en régimen
discontinuo.
En este punto solicite que el Profesor revise sus resultados y firme la casilla correspondiente en
señal de conformidad.
Revisado
b. A partir de la forma de onda de la corriente en la carga, determine el valor del ángulo β, y
verifique que cumple con la ecuación siguiente:
V
V ⎞
Vm
⎛ V
sen(β − θ) − dc + ⎜ − m sen(α − θ) + dc ⎟e
Z
R ⎝ Z
R ⎠
−β + α
wτ
=0
c. Obtenga el valor medio del voltaje en la carga.
d. Por medio de un análisis de Fourier de la corriente en la fuente Vs, obtenga los valores de
sus componentes armónicas normalizadas, y su índice de distorsión armónica total %THD.
e. Obtenga el valor del factor de potencia de entrada.
f. Analice el subcircuito utilizado para modelar los tiristores. Haga una breve descripción y
justificación de su funcionamiento. Analice también la manera como se generan las señales
de disparo.
1.2) Modo continuo
a. Con Vdc=30 V, obtenga las formas de onda de la tensión en bornes de entrada al
rectificador, en bornes de la carga y en bornes de uno de los tiristores; así como las formas
de onda de la corriente en la carga, en la fuente y en uno de los tiristores. Considere
solamente el régimen permanente. Verifique que efectivamente se está en régimen
continuo.
En este punto solicite que el Profesor revise sus resultados y firme la casilla correspondiente en
señal de conformidad.
Revisado
b. Obtenga el valor medio del voltaje de carga, y verifique que se cumple la ecuación
siguiente:
Vo = 0.90VLL,rms cos α −
2wL sIo
π
c. Por medio de un análisis de Fourier de la corriente en la fuente Vs, obtenga los valores de
sus componentes armónicas normalizadas, y su índice de distorsión armónica total %THD.
d. Obtenga el valor del factor de potencia de entrada.
e. A través de un análisis paramétrico obtenga el valor mínimo de la fuente Vdc para que se
mantenga el régimen continuo.
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2) Rectificador controlado trifásico tipo puente
Construya con el OrCAD el circuito mostrado en la Figura 2. La red de entrada tiene como valores
VLL = 208 Vrms, f = 60 Hz. Los transformadores monofásicos ideales TX1, TX2 y TX3, los cuales
utilizan el modelo TRANSFORMADOR, forman un transformador trifásico conectado en Triángulo –
Estrella. La carga se considera altamente inductiva y se modela con una fuente de corriente
constante de 20 A. Los SCR utilizan el modelo TIRISTOR. Tanto el modelo TRANSFORMADOR
como el modelo TIRISTOR se deben anexar a las librerías del proyecto que se creó (ver Anexo B).
Considere como tiempo de simulación 100ms, salvando datos a partir de 50ms, con un paso de
cálculo máximo de 100us. Si tiene problemas de convergencia, vea la parte final del Anexo C.
2.1) Obtenga la forma de onda del voltaje en bornes de la carga.
2.2) Obtenga las formas de onda del voltaje de línea tomado entre Ls1a terminal 2 y Ls1b terminal
2, y del voltaje de línea tomado entre Ls2a terminal 2 y Ls2b terminal 2. Compare y justifique
las diferencias.
2.3) En una nueva ventana, obtenga las formas de onda de la corriente en Ls2a (secundario del
transformador trifásico) y de la corriente en La (primario del transformador trifásico).
2.4) En una nueva ventana, obtenga la forma de onda del voltaje en bornes de uno de los tiristores.
2.5) En una nueva ventana, obtenga la forma de onda de las corrientes en los tiristores T1 y T3, y
verifique que se produce el solapamiento.
En este punto solicite que el Profesor revise sus resultados y firme la casilla correspondiente en
señal de conformidad.
Revisado
Figura 2
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2.6) Complete la siguiente tabla con los resultados obtenidos a partir de la simulación, y concluya
sobre los efectos que introducen las inductancias Ls2.
Valor medio del voltaje de salida
Valor medio de la corriente en los tiristores
Valor rms de la corriente en los tiristores
Valor rms de la corriente en Ls2a
%THD de la corriente en Ls2a
Factor de potencia del secundario
Angulo de conmutación μ
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2.7) Con los resultados obtenidos, verifique la siguiente ecuación:
2wL sIo
cos(α + μ ) = cos α −
2 VLL
2.8) Verifique igualmente la siguiente ecuación:
Vo = 1.35 VLL,rms cos α −
3 wL sIo
π
2.9) Analice el subcircuito utilizado para modelar los tiristores. Haga una breve descripción y
justificación de su funcionamiento. Analice también las señales de disparo. Pruebe simular
para otros valores del ángulo de disparo.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3) Rectificador semicontrolado monofásico o semiconvertidor monofásico
Construya con el OrCAD el circuito mostrado en la Figura 3, con los valores Vs(rms) = 120 V, f =
60 Hz, R=5Ω, L=100 mH, Ls=2mH y utilizando el modelo TIRISTOR para los SCR. Este modelo se
debe anexar a las librerías del proyecto que se creó (ver Anexo).
3.1) Modo discontinuo
a. Con Vdc=80 V, obtenga las formas de onda de la tensión en bornes de entrada al
rectificador, en bornes de la carga y en bornes de uno de los tiristores; así como las formas
de onda de la corriente en la carga, en la fuente, en uno de los diodos y en uno de los
tiristores. Considere solamente el régimen permanente. Verifique que efectivamente se
está en régimen discontinuo.
En este punto solicite que el Profesor revise sus resultados y firme la casilla correspondiente en
señal de conformidad.
Revisado
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Figura 3
b. Analice el comportamiento del voltaje en bornes de la carga, así como de las corrientes en
los tiristores y en los diodos, y saque sus propias conclusiones sobre el comportamiento
del circuito.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
c. Compare el funcionamiento de este circuito con el rectificador completo analizado en el
punto 1.1), modo discontinuo, y establezca sus propias conclusiones.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3.2) Modo continuo
a) Con Vdc=30 V, obtenga las formas de onda de la tensión en bornes de entrada al
rectificador, en bornes de la carga y en bornes de uno de los tiristores; así como las
formas de onda de la corriente en la carga, en la fuente, en uno de los diodos y en uno de
los tiristores. Considere solamente el régimen permanente. Verifique que efectivamente se
está en régimen continuo.
En este punto solicite que el Profesor revise sus resultados y firme la casilla correspondiente en
señal de conformidad.
Revisado
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b) Analice el comportamiento del voltaje en bornes de la carga, así como de las corrientes en
los tiristores y en los diodos, y saque sus propias conclusiones sobre el comportamiento
del circuito.
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
c) Compare el funcionamiento de este circuito con el rectificador completo analizado en el
punto 1.2), modo continuo, y establezca sus propias conclusiones.
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
4) Rectificador semicontrolado trifásico o semiconvertidor trifásico
Construya con el OrCAD el circuito mostrado en la Figura 4, con los valores VLL = 208 Vrms, f = 60
Hz, R=10 Ω, L=25 mH y utilizando el modelo TIRISTOR para los SCR. Este modelo se debe
anexar a las librerías del proyecto que se creó (ver Anexo).
4.1) Obtenga la forma de onda del voltaje en bornes de la carga
4.2) Obtenga las formas de onda del voltaje de línea tomado entre Ls1a terminal 2 y Ls1b terminal
2, y del voltaje de línea tomado entre Ls2a terminal 2 y Ls2b terminal 2. Compare y justifique
las diferencias.
4.3) En una nueva ventana, obtenga las formas de onda de la corriente en la carga y de la
corriente en una de las fases.
4.4) En una nueva ventana, obtenga la forma de onda del voltaje en bornes de uno de los tiristores.
4.5) En una nueva ventana, obtenga la forma de onda de las corrientes en los tiristores T1 y T3, y
verifique que se produce el solapamiento.
En este punto solicite que el Profesor revise sus resultados y firme la casilla correspondiente en
señal de conformidad.
Revisado
4.6) Complete la siguiente tabla con los resultados obtenidos a partir de la simulación, y compare
los resultados con los obtenidos para el rectificador trifásico completo analizado en el punto 2).
Concluya sobre las diferencias entre ambos circuitos.
Valor medio del voltaje de salida
Valor medio de la corriente en los tiristores
Valor rms de la corriente en los tiristores
Valor medio de la corriente en los diodos
Valor rms de la corriente en la fuente va
%THD de la corriente en la fuente va
Factor de potencia del circuito
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
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4.7) Efectúe nuevas simulaciones para ALFA=60 y para ALFA=75 y observe el voltaje de carga.
Concluya sobre los resultados obtenidos.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
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Figura 4
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Anexo B
Creación de un modelo para tiristor en OrCAD
1.- Introducción.Los Rectificadores Controlados de Silicio (SCR, por las siglas en inglés: Silicon Controlled
Rectifier), son dispositivos que pertenecen a la familia de los tiristores, los cuales son dispositivos
de cuatro capas que se utilizan en aplicaciones de conversión y control de potencia. El SCR es el
dispositivo más representativo dentro de la familia de los tiristores, por lo que generalmente se le
denomina indistintamente como SCR o como Tiristor.
2.- Creación de un subcircuito como modelo del tiristor
1. Se crea un nuevo proyecto con el nombre Tiristor, por ejemplo, en una carpeta
denominada Modelo de Tiristor.
2. Se le asigna el nombre al SCHEMATIC1 como Tiristor
3. En PAGE1 se construye el circuito que modela al tiristor, tal como se muestra en la Figura
1, y se salva el archivo.
Figura 1: Circuito del modelo de Tiristor [1]
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4. Desde el gestor de proyectos, icono Project manager, se selecciona el esquemático Tiristor
(ver Figura 2), y luego se hace clic en el menú Tools/Create Netlist, con lo que aparece la
ventana CreateNetlist mostrada en la Figura 3. En esta ventana se selecciona la pestaña
PSpice, y se marca la opción Create SubCircuit Format Netlist y en la casilla Netlist File: se
coloca la dirección deseada con el nombre del subcircuito que se va a crear, por ejemplo,
C:\Modelo de Tiristor\Tiristor_Subckt.LIB, y se hace clic en OK.
Figura 2: Estructura jerárquica del proyecto Tiristor
5. Para verificar el contenido del archivo generado, Tiristor_Subckt.LIB, en el gestor de
proyectos (Projet manager), se hace doble clic sobre el nombre del archivo, el cual se
encuentra en Outputs, ver Figura 4, y el contenido del archivo debe ser equivalente al
mostrado en la Figura 5.
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Figura 3: Ventana Create Netlist
Figura 4: Estructura jerárquica del proyecto donde se muestra el archivo Tiristor_Subckt.lib
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Figura 5: Contenido del archivo Tiristor_Subckt.lib
3.- Creación del archivo Symbol Part a partir del subcircuito del tiristor
Se abre el programa PSpice Model Editor, el cual viene con el paquete del OrCAD, con lo cual
aparece la ventana PSpice Model Editor Lite. En el menú File, se debe seleccionar New. Bajo
el menú Model, se selecciona Import y se busca el archivo del modelo al cual se le va a crear
el archivo Symbol Part, en la ventanan Open que aparece. En Look in debe colocarse la
carpeta donde está el proyecto (Modelo de tiristor), y en File name se debe colocar el nombre
del archivo Tiristor_Suckt.LIB. Al hacer clic en Open abrirá el archivo correspondiente, tal como
se muestra en la Figura 6.
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Figura 6
Este archivo .lib se debe salvar en el directorio donde se guardan los archivos de librería. Por
defecto se guarda en Program Files/OrCADLite/Capture/Library/PSpice, pero también se puede
guardar en cualquier otro archivo, tal como un archivo de Librerias de uso particular. Para salvar
el archivo, se selecciona en el menú: File/Save As… y en la ventana Save As que aparece, por
defecto se tiene en Save in: PSpice. En File name se coloca el nombre del archivo de modelo
.lib deseado y su dirección, en este caso C:\Modelo de Tiristor\Modelos\Tiristor.lib, y luego se
hace clic en Save.
El siguiente paso consiste en crear el elemento o dispositivo (Part) para Capture. Con el archivo
del modelo .lib abierto todavía, se selecciona File/Create Capture Parts… y en la ventana
Create Parts for Library que aparece, ver Figura 7, se debe hacer clic en Browse… y luego se
busca el archivo de la librería del modelo .lib. Automáticamente se llenará la entrada Output
Part Library: con el mismo nombre de archivo pero con la extensión .olb. Al hacer clic en OK,
aparecerá la ventana mostrada en la Figura 8, indicando el estatus de creación de la librería
con el modelo del dispositivo. Se hace clic en OK para terminar.
A continuación se debe editar el símbolo del dispositivo (Part Symbol) que se acaba de crear.
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Figura 7: Ventana de creación del dispositivo (Part) para la librería
Figura 8: Ventana de confirmación de la creación del modelo para la librería
4.- Edición del símbolo del dispositivo (Part Symbol)
1. Se
abre
OrCAD
Capture,
se
selecciona
en
el
menú
la
secuencia
File/Open/Library…, se escoge el archivo de librería que se acaba de crear
(Tiristor.OLB), y se hace clic en Open.
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2. En la ventana OrCAD Capture – Lite Edition – [TIRISTOR] que aparece, ver Figura
9, se hace doble clic en TIRISTOR, con lo cual se abre la ventana para editar el
símbolo, ver Figura 10, donde se presenta un símbolo genérico en el que se
muestran los terminales asignados previamente al modelo (A, G, K).
Figura 9
Figura 10: Símbolo genérico asignado al Tiristor
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3. Ahora, en esta ventana de la Figura 10, se puede modificar el bloque genérico,
utilizando las herramientas de edición de capture, hasta obtener el símbolo deseado.
4. Las características de los pines de conexión del modelo se pueden cambiar
haciendo clic con el botón derecho del ratón sobre el pin respectivo, y en la ventana
que aparece, ver Figura 11, se realizan los cambios. En particular en este caso, se
cambió la forma (Shape), el tipo (Type), y el número (Number), manteniendo el
nombre (Name).
Figura 11
5. Seleccionando en el menú Options/Part Porperties, en la ventana User Properties
que aparece, ver Figura 12, se puede configurar para que los nombres de los pines
no aparezcan sobre el símbolo.
Figura 12
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6. De igual manera, seleccionando en el menú Options/Packge Properties, en la
ventana Edit Part Properties que aparece, ver Figura 13, se puede cambiar el prefijo
(Part Reference Prefix) que aparece sobre el símbolo del dispositivo. En este caso
se colocó el prefijo T.
Figura 13
7. Utilizando las herramientas de dibujo, el símbolo del modelo puede quedar tal como
se muestra en la Figura 14.
Figura 14
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8. Por último, al cerrar la ventana de edición anterior, se vuelve a la ventana Orcad
Capture – Lite Edition – [tiristor], mostrada en la Figura 15, con lo que, una vez
salvado el documento, ya se dispondrá del modelo del tiristor.
Figura 15
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Anexo C
Utilización del modelo Tiristor para simular un circuito
Para poder utilizar el modelo de SCR que se creó (TIRISTOR), se van a mostrar algunos de
los pasos que se deben cumplir a la hora de simular un circuito que incluya dicho modelo.
Al abrir el OrCAD Capture y crear un nuevo proyecto de simulación, lo primero que debe
hacerse es incluir la librería donde se encuentra el modelo del SCR en el proyecto que se acaba de
crear, para poder colocarlo en el esquemático del circuito que se va a construir con Capture. Al
hacer clic en el icono Place part, en la ventana Place Part que se abre, ver Figura 1, se hace clic
en Add Library… y en la ventana Browse File que aparece se debe ubicar el archivo de librería
TIRISTOR.OLB
que
debe
encontrarse
en
este
caso
en
C:\Modelo
Tiristor\Modelos\TIRISTOR.OLB, ver Figura 2.
Figura 1: Ventana para colocar dispositivos en el esquemático
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Figura 2: Ventana de ubicación de la librería que se va a añadir
Una vez que se ha agregado la librería TIRISTOR.OLB al Capture, se puede seleccionar el
dispositivo TIRISTOR que se va a utilizar en el circuito que se está construyendo con el Capture,
tal como se muestra en la ventana Place Part que se muestra en la Figura 3.
Figura 3: Ventana para seleccionar el dispositivo TIRISTOR
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Al terminar de construir el circuito se procede a efectuar la simulación. Lo primero que se
hace es darle un nombre a la simulación con New Simulation Profile. A continuación, en la
ventana Simulation Settings se incluyen los datos de la simulación. En la carpeta Analysis de
esta ventana se colocan el tiempo de simulación, el paso de cálculo máximo, y para evitar
problemas de convergencia se elimina la opción de cálculo del punto estático inicial, tal como se
muestra en la Figura 4.
Figura 4: Datos del análisis para la simulación
A continuación en la carpeta Libraries se debe incluir la información de la ubicación de las
librerías creadas para obtener el modelo del SCR que se va utilizar en la simulación, C:\Modelo de
Tiristor\TIRISTOR.LIB y C:\Modelo de Tiristor\Modelos\Tiristor.lib, ver Figura 5.
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Figura 5: Ventana para incluir la ubicación de las librerías utilizadas en la simulación
Por último, para evitar los problemas de convergencia que se presentan generalmente en la
simulación de los circuitos de electrónica de potencia debido a las variaciones bruscas de algunas
variables, se deben modificar algunos parámetros en la carpeta Options, tal como se muestra en
la Figura 6.
Figura 6: Modificación de parámetros de la simulación de la carpeta Options
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