Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
Contenido PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS Y CIRCUITOS BÁSICOS DEL RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO SCR ........................................................... ............................................................................................................. .................................................. 2 OBJETIVOS ............................................................................................................................................ ......................................................................................... ................................................... 2 General: .................................................................................. ............................................................. 2 Específicos:....................................................... ........................................................................................................................ ................................................................................... .................. 2 MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................ ................................................................................................................... ................................................... 2 Materiales. ........................................................................................ ................................................... 2 Herramientas:............................................................... ................................................................................................................................ ........................................................................ ....... 2 PROCEDIMIENTO ............................................................................................................... .................. 2 DESARROLLO ............................................................................................... ........................................ 2 CONSULTA ..................................................... ...................................................................................................................... ................................................................................... .................. 2 TIRISTOR-SCR ............................................................................................................ .................. 3 Estructura Interna ................................................................................................... ..................... 3 Utilidad del dispositivo ............................................................. ............................................................................................................... .................................................. 3 Curva Característica ................................................................................................ .................... 3 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UN RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO........................................................ ......................................................................................................................... ................................................................................... .................. 4 Voltaje inverso pico. ................................................................................................ ....... 4 Voltaje de bloqueo directo pico. ........................................................ ..................................................................................... ............................. 4 Corriente directa promedio. ( Durante la conducción). ( ) ................................................ 5 Corrientes de fuga directa e inversa máximas. IRX,IFX ............................................................. ..................... ........................................ 5 Corriente de disparo en la compuerta. ............................................................... ................................................................................. .................. 5 Voltaje de disparo en compuerta. .......................................................... ....................................................................................... ............................. 5 Potencia pico en la compuerta. ................................................................................ .......................................................................................... .......... 5 MEDICIÓN DE LA CORRIENTE DE COMPUERTA ................................................................. 5 MEDICIÓN DE LA CORRIENTE DE MANTENIMIENTO ........................................................ 6 ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON SCR ...................................................................................... ....... 6 SIMULACIONES.............................................................................................................................. SIMULACIONES.................................................................. ............................................................ 11 PREGUNTAS .............................................................. ............................................................................................................................... ...................................................................... ..... 13 Pregunta 1...................................................................................................................................... 1...................................................................................................................................... 13 Pregunta 2...................................................................................................................................... 2...................................................................................................................................... 14 Pregunta 3...................................................................................................................................... 3...................................................................................................................................... 14 Pregunta 4...................................................................................................................................... 4...................................................................................................................................... 15
1
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
Integrantes:
Cinthya Calderón Victoria Yánez Stefanny Gavilema
Fecha: 19 de Mayo del 2017 Nrc: 3714 Grupo: 9
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS Y CIRCUITOS BÁSICOS DEL RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO SCR
OBJETIVOS General: Implementar un circuito de control de potencia usando tiristor. Específicos: Identificar, los materiales y equipos a utilizar. Verificar el control de potencia por ángulo de disparo. Medir las características de las señales en los diferentes puntos de prueba. Comparar datos reales, simulados y calculados.
MATERIALES Y EQUIPOS Materiales. Tiristor. Transformador, capacitores, resistencias y diodos. Luminaria de 40W. Cables, suelda, puntas de osciloscopio y material fungible. Herramientas: Multímetro. Osciloscopio. Cautín, pinzas.
PROCEDIMIENTO
Implementar el circuito del preparatorio. Verificar el funcionamiento del circuito. Realizar mediciones de voltaje en los diferentes puntos de prueba y llenar las tablas de datos. Obtener las gráficas del osciloscopio en los puntos de prueba. Comparar los datos obtenidos con los datos teóricos y simulados.
DESARROLLO CONSULTA 1. Estructura interna de un SCR, los nombres de los terminales y la utilidad de este dispositivo. Dibuje la curva característica V-I del SCR y describa el efecto de la corriente de compuerta en esta curva.
2
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
TIRISTOR-SCR La palabra tiristor viene del griego y significa “puerta”, en el sentido de una puerta que se abre y deja pasar algo. Un tiristor es un dispositivo semiconductor que utiliza realimentación interna para activar un mecanismo de conmutación. Los tiristores más importantes son el SCR (Silicon Controlled Rectifier , rectificador controlado de silicio) y el triac.
Figura 1 Símbolo del tiristor.
Estructura Interna Es un dispositivo electrónico que tiene dos estados de funcionamiento: conducción y bloqueo. Posee tres terminales: Ánodo (A), Cátodo (K) y puerta (G).
Figura 2 Estructura Interna del SCR
La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Se dice que es un dispositivo unidireccional, debido a que el sentido de la corriente es único. Utilidad del dispositivo El SCR puede conmutar corrientes altas, por esta razón se puede utilizar como: Mecanismos de protección contra sobretenciones o Controladores de motores. o Sistemas de iluminación. o Hornos o Aparatos de aire acondicionado. o Calefactores de inducción Como cargas que soportan corrientes grandes. Curva Característica En polarización positiva, el diodo no conduce hasta que se recibe un pulso de tensión en el terminal de puerta (gate). Una vez recibido, la tensión entre ánodo y cátodo cae hasta ser menor
3
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
que un voltio y la corriente aumenta rápidamente, quedando limitada en la práctica por componentes externos. En la curva se pueden observar cuatro valores importantes. Dos de ellos provocarán la destrucción del SCR si se superan: (Corriente ánodo - cátodo) es la corriente máxima que puede soportar el SCR sin sufrir daño y (Reverse Breakdown Voltage), la tensión a partir de la cual se produce el fenómeno de avalancha. Se debe asegurar el disparo del tiristor, tratando de evitar sobre tensiones o sobrecorrientes que llevan a la destrucción del componente por una disipación de potencia elevada. Teniendo en cuenta las zonas de máxima disipación para evitar situaciones límite.
Figura 3 Curva Característica de un SCR
Para un tiristor polarizado directamente, la inyección de una corriente por la puerta G al aplicar una tensión positiva entre la puerta G y el cátodo (K) lo activará. Si aumentamos la corriente en G disminuirá la tensión de disparo del tiristor. 2. Describa cinco parámetros característicos de un rectificador controlado de silicio.
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UN RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO Voltaje inverso pico.
Este es el voltaje de polarización directa máximo permitido, y está definido en la especificación del fabricante, que puede dañar al SCR. Este parámetro puede ser expresado en una variedad de formas. Algunas veces es definido en términos de voltaje repetitivo y algunas veces en términos de voltajes momentáneos. Voltaje de bloqueo directo pico.
Este es el máximo voltaje directo instantáneo permitido que no conmutará al SCR al estado de conducción. Este parámetro es también expresado en varias formas. Algunas veces es definido con respecto al circuito de compuerta abierta o con respecto a la resistencia entre compuerta y cátodo ()
4
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
Corriente directa promedio. ( Durante la conducción). ( )
Esta es la corriente DC máxima permitida a través del SCR durante la conducción. Algunas veces se define en su lugar la corriente efectiva. Entonces el símbolo es . En otras veces, la definición es basada en la corriente de surge o la corriente instantánea . Los datos en las corrientes permitidas siempre involucran la resistencia térmica y es generalmente presentada en forma gráfica. Corrientes de fuga directa e inversa máximas. IRX,IFX
Especificadas a voltajes dados, la indica la conexión de la impedancia de salida entre compuerta y cátodo. Estos parámetros están dados a los voltajes picos definidos arriba. Se debe notar la temperatura a la que estos parámetros son especificados. Corriente de disparo en la compuerta.
Esta es la mínima corriente de compuerta con la cual se garantiza que el SCR es disparado a un voltaje de ánodo dado. Por ejemplo, e aun voltaje = 7 y una carga = 100, el fabricante garantiza que los SCRs de este tipo serán disparados con una corriente de = 200. Esta corriente es inversamente proporcional a la temperatura. Voltaje de disparo en compuerta.
El máximo voltaje en la compuerta antes del disparo, cuando la corriente de entrada a la compuerta es . Este voltaje es dependiente de la temperatura, varía entre 0.6 25℃ y 0.3 100℃. El fabricante especifica el voltaje máximo esperado para varias condiciones conocidas. Potencia pico en la compuerta.
La máxima potencia instantánea de disipación permitida en la compuerta. Algunas veces, se especifica la máxima potencia de disipación promedio ( ) en la compuerta. 3. Consulte un circuito para la medición de la corriente de compuerta que produce el disparo del SCR.
MEDICIÓN DE LA CORRIENTE DE COMPUERTA
Figura 4 Circuito para medir la corriente de compuerta
A partir del circuito se mantiene el interruptor cerrado y se reduce ligeramente el valor del potenciómetro R2, abriendo de vez en cuando el interruptor. El valor de la corriente de disparo de la compuerta es aquel que, una vez que se ha abierto el interruptor, es decir se retire el pulso de compuerta, el tiristor no regrese al estado de bloqueo. El valor de la corriente de disparo de la compuerta será ligeramente menor al valor obtenido 5
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
4. Consulte un circuito para medir la corriente de mantenimiento de un SCR.
MEDICIÓN DE LA CORRIENTE DE MANTENIMIENTO
Figura 5 Circuito para medir la corriente de mantenimiento
Para medir la corriente de mantenimiento, se fija R2 a su mínimo valor, para asegurar que la corriente que pasa por el ánodo fuera mayor a la máxima corriente de mantenimiento dada por el fabricante, se dispara el tiristor momentáneamente cerrando el interruptor del circuito de la parte superior. Se observa que el tiristor cambia a conducción y se mantiene en ese estado. En estas condiciones el tiristor se encuentra cebado. Poco a poco se aumenta el valor de R2, para que la corriente de ánodo disminuya y así el tiristor deje de conducir y en esa sección es donde se analiza o mide el valor de la corriente de mantenimiento. ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON SCR 1. Determine la corriente que circula por la compuerta en el circuito de la figura: Interruptor P1=100Kohmios. Ra es una parte de la resistencia P1 que corresponde a la sección conectada entre compuerta y cátodo.
Figura 6 Circuito con SCR
a) Ra=80Kohmios, b) Ra=50Kohmios c) Ra=10Kohmio. Sugerencia: Encuentre el equivalente Thevenin entre compuerta y cátodo. a) Ra=80Kohmios Datos del SCR:
= 6
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
= 200 = 7 Datos del circuito:
= 12 = 0.6 = = 12 0.6 = 11.4 Calculo de corriente:
= =
6.32 80
= . b) Ra=50Kohmios Datos del SCR:
= = 200 = 7 Datos del circuito:
= 12 = 0.6 = = 12 0.6 = 11.2 Calculo de corriente:
=
7
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
=
6.32 50
= . c) Ra=10Kohmio Datos del SCR:
= = 200 = 3, 6 Datos del circuito:
= 12 = 0.8 = = 12 0.8 = 11.2 Calculo de corriente:
= =
6.32 10
= . 2. Si la corriente de mantenimiento es 5mA que valor de R de carga produce la frontera entre el estado de conducción y corte del SCR en el circuito.
Tomando datos del Datasheet:
= 8
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
= = . = 5 = 12 = 0.6 = = 12 0.6 = 11.4 = =
11.4 5
= . 3.
Control de fase. El esquema básico de un rectificador controlado es el que se muestra en la figura. Clasifique los elementos que forman el circuito de potencia y los elementos que forman el circuito de control.
Figura 7 Circuito de control de fase de onda completa.
Circuito de potencia:
Carga SCR Q1 9
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
Puente de diodos (D1,D2,D3,D4) Fuente AC
Circuito de control:
Resistencias (R1,R2,R3,R4) Potenciómetro P1 Transistor Mosfet Q2 Capacitor C1 Didodo Zener Ds
4. Para el circuito de control de fase de onda completa o Corriente y voltaje promedio en la carga o Corriente y voltaje eficaz en la carga o Factor de potencia del circuito rectificador o Distorsión armónica total THD o Rizado de voltaje en el condensador y de corriente en la bobina
Datos:
Vrms = 12 V R = 1K Ω Corriente y voltaje promedio en la carga = 12 ∗ √ 2 ≅ 17
Vd = Id =
2 2 ∗ 1 7 = = 10.82 V
Id 10.82 = = 10.82 1 ∗ 1 0 10
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
Corriente y voltaje eficaz en la carga VMS = 12
IMS =
0.707 0.707 ∗ 17 = = 12.01 1 ∗ 1 0
Factor de potencia del circuito rectificador
IMS ∗ R 12.01 ∗ 1 ∗ 10 fp = = =1 VMS 12
Distorsión armónica total THD Rizado de voltaje en el condensador y de corriente en la bobina Para C = 500 uF f = 60 Hz I 10.82 Vr = d = Vr = = 180.33 mV f∗C 2 ∗ 6 0 ∗ 5 0 0 ∗ 1 0 −
SIMULACIONES Ejercicio 1. a) Ra=80Kohmios X1
XMM1
12V_25W V2
D1 C232B
12Vrms 60Hz 0°
D2 1N4002 R2 100kΩ
Key=A
80 %
b) Ra=50Kohmios X1
XMM1
12V_25W V2 12Vrms 60Hz 0°
D1 C232B
D2 1N4002 R2 100kΩ
Key=A
50 %
c) Ra=10Kohmio.
11
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR X1
XMM1
12V_25W V2
D2 1N4002
D1 C232B
12Vrms 60Hz 0°
R2 100kΩ
Key=A
10 %
Ejercicio 2. X2
V1
120V_100W
1
D3 R4
120Vrms 60Hz 0°
4
3
2
100Ω D4 2N2574
1B4B42
R6 R1 100Ω 100Ω
Key=A
100 %
D5 1N4463
Q1 MMBF4393LT1G C1 100pF
R3 100Ω
R5 100Ω
X2 XMM2
V1
120V_100W
1
D3 R4
120Vrms 60Hz 0°
4
3
2
1B4B42
D4 2N2574
R6
100Ω
R1 100Ω
100kΩ
Key=A
100 %
D5 1N4463
Q1 MMBF4393LT1G C1 100pF
R3 100Ω
R5 100Ω
X2 XMM2
V1
120V_100W
120Vrms 60Hz 0°
1
D3 R4
4
3
2
1B4B42
D4 2N2574
R6
100Ω
R1 100Ω
100kΩ
Key=A
100 %
D5 1N4463
Q1 MMBF4393LT1G C1 100pF
R3 100Ω
R5 100Ω
12
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR XMM2
X2
V1
120V_100W
1
D3 R4
120Vrms 60Hz 0°
4
3
2
1B4B42
D4 2N2574
100Ω
R6 R1 100Ω
100kΩ
Key=A
100 %
D5 1N4463
100 %
D5 1N4463
Q1 MMBF4393LT1G C1 100pF
R3 100Ω
R5 100Ω
XMM2
X2
V1
120V_100W
120Vrms 60Hz 0°
1
D3 R4
4
3
2
1B4B42
D4 2N2574
R6
100Ω
R1 100Ω
100kΩ
Key=A Q1 MMBF4393LT1G C1 100pF
R3 100Ω
R5 100Ω
PREGUNTAS Pregunta 1 Qué diferencia existe entre la corriente de enganche y la corriente de mantenimiento del SCR.
La corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, , es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta. Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión no existe una capa de agotamiento de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento , se genera una región de agotamiento alrededor de la unión debida al número reducido de portadores. Por ello la corriente de mantenimiento es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La relación que existe entre estas dos corrientes es que:
13
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, >
Pregunta 2 En qué orden está la ganancia de corriente de un SCR. Como se estima este valor.
La ganancia de corriente de base común se define como α=IC/IE. Para el transistor Q1 la corriente del emisor es la corriente del ánodo IA, y la corriente del colector IC1 se puede determinar a partir de la ecuación (1): IC1 = 1IA + ICBO1 (2) Donde α1 es la ganancia de corriente y ICBO1 es la corriente de fuga para Q1. En forma similar para el transistor Q2, la corriente del colector IC2 es: IC2 = 2IK + ICBO2 (3) Donde α2 es la ganancia de corriente y ICBO2 es la corriente de fuga correspondiente a Q2. Al combinar IC1 e IC2, obtenemos: IA = IC1 + IC2 = 1IA + ICBO1 + 2IK + ICBO2 (4) Pero para una corriente de compuerta igual a IG, IK =IA+IG resolviendo la ecuación anterior en función de IA obtenemos: IA = 2IG +ICBO1+ICBO2 / 1- (1 + 2) Pregunta 3 ¿Sin fórmula: qué es el factor de potencia y la Distorsión Armónica total? Factor de Potencia:
Es un indicador cualitativo y cuantitativo del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica. También podemos decir, el factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo. El factor de potencia cambia de acuerdo al consumo y tipo de carga. Distorsión Armónica total
Cuando el voltaje o la corriente de un sistema eléctrico tienen deformaciones con respecto a la forma de onda senoidal. La distorsión puede deberse a:
Fenómenos transitorios tales como arranque de motores, conmutación de capacitores, efectos de tormentas o fallas por cortocircuito entre otras Condiciones permanentes que están relacionadas con armónicas de estado estable. En los sistemas eléctricos es común encontrar que las señales tendrán una cierta distorsión que cuando es baja, no ocasiona problemas en la operación de equipos y dispositivos.
Dentro de los indicadores que se usan para observar la distorsión armónica total son: 14
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Departamento de Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia PREPARATORIO 4 CONTROL DE POTENCIA USANDO TIRISTOR
Factor de Potencia Factor de Cresta Potencia de distorsión Espectro en frecuencia Tasa de distorsión armónica
La relación que existe entre estos dos términos es que existe una presencia de distorsión de armónicos cuando el factor de potencia medido es diferente del cos Pregunta 4 Si la carga es un motor DC ¿con qué variables del motor se relacionan el voltaje y corriente promedio; la corriente y voltaje eficaz?
Para el control de Armadura de un motor con un Tiristor en este caso el SCR puede hacer la mayor parte de las funciones de un reóstato, en el control de la corriente promedio de una carga sin las limitaciones de gran potencia. Estos son pequeños, poco costosos y eficientes en energía. Es natural acoplar el motor para control de armadura para la velocidad del motor. Según la figura el SCR proporciona entonces rectificación de media onda y control al devanado de armadura. Si se da un temprano disparo del SCR, el voltaje y la corriente promedio de la armadura aumentan y el motor puede trabajar con más rapidez. Al disparar el SCR más tarde, se reducen el voltaje y la corriente promedio y el motor trabaja más lento.
15