Guia De Practica 02 - Scrs

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FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA

LABORATORIO

TALLER

SIMULACIÓN

X

CAMPO

GUÍA DE PRÁCTICAS ESCUELA: INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA CONTROL Y REDES INDUSTRIALES CARRERA: INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN ASIGNATURA: ELECTRÓNICA DE POTENCIA 1 DOCENTE: ING. JORGE LUIS HERNÁNDEZ AMBATO PHD ESTUDIANTE: VALERIA MESTANZA

PRÁCTICA N: 02

I. II.

III.

TEMA: Disparo de tiristores conmutados por línea con desplazamiento de fase. OBJETIVO: 1. Simular un circuito de encendido de SCRs conmutado por línea con control de desplazamiento de fase a 90° grados. 2. Simular un circuito de encendido de SCRs conmutado por línea con control de desplazamiento de fase a 180° grados. FUNDAMENTOS TEÓRICOS La conmutación de un tiristor asistido por la tensión de línea significa que se toma parte de la señal de la línea de potencia para alimentar con el voltaje y corriente adecuados el terminal e activación del tiristor. En la Figura 1 se muestra un esquema simple de conexión de la activación de un SCR bajo las consideraciones indicadas.

V

R3 1kΩ V

PR2 V1 120Vrms 60Hz 0°

PR5

R1 1kΩ V

PR1 R2

470Ω C1 33nF

D1

S1 A

PR3

1N5760

Figura 1.- Esquema de conexión de un SCR activado por tensión de línea. En este esquema, el condensador C1 y la resistencia R1 forman una red de retraso de fase de la

FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA señal de V1. En otras palabras, el circuito R1 y C1 forman una red del tipo RC que desfasará la señal de tensión que se observa en los terminales del condensador, respecto a la señal de V1. Mientras más altos los valores de R1 y C1 mayor será el retraso. Sin embargo, analíticamente este circuito puede proporcionar un máximo retraso de fase de 90°, por lo tanto, el control del encendido del SCR podrá ser realizado dentro del rango de 0 a 90°. Para poder lograrlo, se recomienda ajustar el valor de R1 de manera apropiada considerando lo expuesto hasta el momento. Algo importante de comprender es que si una red RC proporciona un desplazamiento de fase de hasta 90°, entonces dos redes RC en serie podrán proporcionar un desplazamiento de fase de hasta 180°. Sin embargo, al introducir esta segunda red, las ecuaciones analíticas son más difíciles de resolver, pero la clave esta en tratar de utilizar los mismos valores de R y C para las dos redes. Por otro lado, la función del DIAC D1 es frenar el encendido del SCR hasta que el voltaje entre sus terminales no alcance el valor de ruptura BV con lo cual el D1 conducirá la corriente limitada únicamente por el valor de la R2 logrando eventualmente encender el SCR. Recuerde que para que el SCR se encienda, el valor de corriente en la compuerta debe ser por lo menos el valor de corriente de cebado IL. Entonces, significa que el valor de R2 puede ser ajustado en función de este valor de corriente IL. Finalmente, el SCR permanecerá en estado de bloqueo mientras las condiciones de encendido no se hayan producido en su terminal de compuerta Gate. Una vez que el SCR se ha activado, el mismo permanecerá en conducción mientras la corriente de ánodo IA sea mayor a la corriente de mantenimiento IH, o en su defecto el voltaje de Ánodo a Cátodo VAK cambie de signo. En el caso del esquema de la Figura 1, el voltaje VAK cambiará de signo cuando la señal de la fuente V1 pase del semiciclo positivo al semiciclo negativo. Referencias Hart, Daniel W. (2011). Power electronics. New York – Estados Unidos: McGraw-Hill Education. IV.

INSTRUCCIONES: 1. Implementar el siguiente circuito de encendido de SCR en Multisim NI.

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V

R3 1kΩ V

PR2 V1 120Vrms 60Hz 0°

PR5

R1 1kΩ V

PR1 R2

470Ω C1 33nF

D1

S1 A

PR3

1N5760

2. Configurar el tiristor S1 con los siguientes parámetros:

3. Configurar una simulación de Transitorio con los siguientes parámetros: STIME = 0, TSTOP = 20ms, INITIAL CONDITIONS = “Set to Zero”. 4. Guardar las formas de onda resultantes. V. LISTADO DE EQUIPOS, MATERIALES Y RECURSOS: 1. NI Multisim 14.1 2. Computador 3. Cuaderno de apuntes 4. Calculadora VI. ACTIVIDADES POR DESARROLLAR: 1. Describa lo que sucede con el voltaje en el condensador C1, corriente de compuerta I G y voltaje VAK. 2. Encuentre el tiempo de encendido (ton) y su respectivo ángulo de encendido en radianes (α) al cual en SCR cambio su estado. 3. Aumente el valor de la resistencia R1 de manera significativa. Indique el valor utilizado.

FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA 4.

Realizar la simulación correspondiente y verificar las condiciones de funcionamiento a partir de las formas de onda resultantes. Repita el paso 1 y 2. 5. Disminuya el valor de la resistencia R1 de manera significativa. Indique el valor utilizado. 6. Realizar la simulación correspondiente y verificar las condiciones de funcionamiento a partir de las formas de onda resultantes. Repita el paso 1 y 2. 7. Que sucede cuando el voltaje de la fuente V1 cambia de signo (semiciclo negativo). Explique el comportamiento que observa e interpreta. 8. Que sucede si el valor de la R3 cambia a 300K Ohmios. Explique el comportamiento que observa e interpreta. 9. De las actividades desarrolladas, ¿Cuál es el rango de control por desplazamiento de fase dentro del cual puede comandar el encendido del SCR? 10. Proponga una solución para lograr ampliar este rango hasta los 180°. VII. RESULTADOS OBTENIDOS: ACTIVIDAD 1

Figura 1. Formas de onda de tensión C1 y V1

En la Figura 1 se aprecia que la tensión del condensador C1 está desfasada en retraso con respecto a V1 pero es desfase es mínimo.

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Figura 2. Forma de onda Corriente IG

La Figura 2 muestra la forma de onda de la corriente de compuerta I G es prácticamente.

Figura 3 Forma de onda tensión VAK

La Figura 3 muestra conforme VAK se incrementa a partir de 0 hasta el punto en el que V AK sea igual al valor de voltaje de ruptura que según los datos de simulación es 1.2V, ocasionando repentinamente una caída de voltaje en VAK por lo que se reduce a un valor bajo “0.65V” y el diodo de 4 capas entra a la región de conducción, el dispositivo se encuentra en el estado encendido. El ángulo de disparo es demasiado menor a los 90º o está muy cercano a 0º, debido a esto la tensión V AK no alcanza valores altos de voltaje. ACTIVIDAD 2 Para encontrar el tiempo de encendido (ton) se utilizó la herramienta cursores y el valor es t on =47.61µs. Como se muestra en la Figura 4.

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Figura 4. Cursores en tiempo=47.61µs

El ángulo de encendido en radianes (α) al cual en SCR cambio su estado se calcula:

1 1 T = = =16.66 ms f 60 1 1 ω=2 ∙ π ∙ =2∙ π ∙ =0.37 rad T 16.66 ms 1 1 ω=2 ∙ π ∙ =2∙ π ∙ =133.68 rad T 0.047 ms ω0 0.37 ω t=2 ∙ π ∙ =2 ∙ π ∙ =0.017 rad ω1 133.68

ACTIVIDAD 3 Y 4 Para R1=200kΩ las formas de onda de tensión C1, VAK y corriente IG son las siguientes:

Figura 5. Formas de onda de tensión V1 Y C1 para R1=200KΩ

FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA Si se aumenta el valor de la resistencia R1 la tensión del condensador C1 se desfasa cada vez más en retraso con respecto a V1 pero no alcanza su valor máximo de 90º como se muestra en la Figura 5.

Figura 6. Forma de onda Corriente IG para R1=200KΩ

La Figura 6 muestra la forma de onda de la corriente de compuerta I G que es prácticamente cero.

Figura 7. Forma de onda tensión VAK para R 1=200KΩ

La Figura 7 muestra conforme VAK se incrementa a partir de 0 hasta el punto en el que V AK sea igual al valor de voltaje de ruptura que según los datos de simulación es 1.2V, ocasionando repentinamente una caída de voltaje en VAK por lo que se reduce a un valor bajo “0.65V” y el diodo de 4 capas entra a la región de conducción, el dispositivo se encuentra en el estado encendido. El ángulo de disparo menor a los 90º pero no tan cercano a 0º, debido a esto la tensión V AK alcanza valores de voltaje no muy altos respecto al eficaz. Para encontrar el tiempo de encendido (t on) se utilizó la herramienta cursores y el valor es t on =526.54µs. Como se muestra en la Figura 8.

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Figura 8. Cursores en tiempo=526.54µs

El ángulo de encendido en radianes (α) al cual en SCR cambio su estado se calcula:

1 1 T = = =16.66 ms f 60 1 1 ω=2 ∙ π ∙ =2∙ π ∙ =0.37 rad T 16.66 ms 1 1 ω=2 ∙ π ∙ =2∙ π ∙ =11.94 rad T 0.526 ms ω0 0.37 ω t=2 ∙ π ∙ =2 ∙ π ∙ =0.194 rad ω1 11.94

ACTIVIDAD 5 Y 6 Para R1=100Ω las formas de onda de tensión C1, VAK y corriente IG son las siguientes:

Figura 9. Formas de onda de tensión C1, VAK y corriente IG para R1=100Ω

Si se disminuye el valor de la resistencia R1 la tensión del condensador C1 se aproxima a la tensión de la fuente, es decir estará cada vez más en fase con la tensión de V1 como se muestra en la Figura 9; la corriente de compuerta IG es prácticamente cero. El ángulo de disparo es demasiado menor a los 90º o

FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA está muy cercano a 0º siendo aún más menor en comparación con el ángulo teniendo una R1=1k Ω; la tensión VAK no alcanza valores altos de voltaje. Para encontrar el tiempo de encendido (ton) se utilizó la herramienta cursores y el valor es t on =31.95µs Como se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Cursores en tiempo=31.95µs

El ángulo de encendido en radianes (α) al cual en SCR cambio su estado se calcula:

1 1 T = = =16.66 ms f 60 1 1 ω=2 ∙ π ∙ =2∙ π ∙ =0.37 rad T 16.66 ms 1 1 ω=2 ∙ π ∙ =2∙ π ∙ =196.65rad T 0.03195ms ω0 0.37 ω t=2 ∙ π ∙ =2 ∙ π ∙ =0.011 rad ω1 196.65

ACTIVIDAD 7 Cuando la entrada de ca se vuelve negativa, el SCR se apaga y no conduce hasta que el punto de disparo en el siguiente semiciclo positivo.

ACTIVIDAD 8

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Figura 11. Voltaje en R3

La Figura 11 muestra el comportamiento de la tensión en R3; el valor de tensión en la carga es prácticamente cero para tiempos menores en el que corre el disparo, la tensión aumenta cuando el SCR entra en conducción debido a que circula un impulso de corriente de puerta a cátodo. ACTIVIDAD 9 El rango de control por desplazamiento de fase dentro del cual puede comandar el encendido del SCR está comprendido entre 0º a 90º, R1 se encarga de controlar el ángulo de disparo. ACTIVIDAD 10 Par dar solución bastaría poner dos redes RC en serie que proporcionaran un desplazamiento de fase de hasta 180° es recomendado tratar de utilizar los mismos valores de R y C para las dos redes.

Figura 12. Formas de onda de tensión V1, C1 VAK, y corriente IG

VIII.

CONCLUSIONES:  El proceso de simulación me permitió evidenciar que la R1 y C1 controlan la fase de 0º a 90º dado que si se reduce R1 el ángulo de disparo es cada vez menor y si se aumenta R1 el ángulo de disparo es mayor.  Variando el ángulo de disparo nos permite controlar la tensión eficaz que llega a la carga; si queremos más tensión utilizamos un ángulo de disparo menor, si queremos menor tensión ocupamos un ángulo mayor.  Un desplazamiento de fase de hasta 90º está dado por una red RC y se queremos un desplazamiento de fase de hasta 180º lo haríamos usando dos redes RC en serie.

FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA IX.

RECOMENDACIONES:

 Se recomienda tomar en cuenta que los valores del datasheet del dispositivo para comprender de mejor manera la simulación.  Es recomendable que el docente realice la retroalimentación para reforzar los conocimientos o procesos que faciliten la elaboración del trabajo.

Fecha de presentación: 24 mayo del 2020

-------------------------------Sr(ita). Valeria Mestanza Estudiante

---------------------------------Ing. Jorge Hernández Ambato, PhD Profesor

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