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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

Prof. Carlos Villanueva Enero 2008 12


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:

0eR

V)(senZ

VR

V)(senZ

V wdcmdcm =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +θ−α−+−θ−β τ

α+β−

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.


Revisado

b. Obtenga el valor medio del voltaje de carga, y verifique que se cumple la ecuación siguiente:

π−α= os

rms,LLoIwL2cosV90.0V

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.



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



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:

LL

os

V2

IwL2cos)cos( −α=μ+α

2.8) Verifique igualmente la siguiente ecuación:

π−α= os

rms,LLoIwL3

cosV35.1V

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.


Revisado



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.


Revisado



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

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________



4.7) Efectúe nuevas simulaciones para ALFA=60 y para ALFA=75 y observe el voltaje de carga. Concluya sobre los resultados obtenidos.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Figura 4




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]



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.



Figura 3: Ventana Create Netlist

Figura 4: Estructura jerárquica del proyecto donde se muestra el archivo Tiristor_Subckt.lib



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.



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.



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.



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



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



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



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




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 de

Tiristor\Modelos\TIRISTOR.OLB, ver Figura 2.

Figura 1: Ventana para colocar dispositivos en el esquemático



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



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.



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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