Electrónica de Potencia Rectificador Trifásico - Sincronismo Coseno

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Estudio De Rectificador Trifásico Controlado Utilizando El Método Del Sincronismo Con Referencia Coseno.

Universidad de Concepción

Departamento de Ingeniería Eléctrica,

Javier Cárdenas Drews, Omar Castro Conejero, Wladimir Valenzuela Fuentealba.

I. Introducción: Los distintos métodos de rectificación existentes nos permiten obtener variados tipos de respuestas por parte del sistema rectificador mismo, ya sean sus corrientes, voltajes, factor de potencia, presencia de armónicos, etc… y un voltaje DC que se aproxima a lo deseado. La elección del método depende de la aplicación y de los estándares que se quieren cumplir, ya sean cumplir con la disminución de distorsión armónica o con el factor de potencia cercano a la unidad. Uno de estos métodos está basado en el control de la conmutación del rectificador, en éste caso, el puente rectificador de 6 pulsos controlado mediante una referencia coseno. La evaluación y explicación teórica del método, sus ventajas y desventajas serán analizadas a continuación.

II. Marco teórico previo El principal elemento para aplicar el método de rectificación controlada es el tiristor, a través de su compuerta “gate” es posible controlar el instante de disparo (conducción) de éstos, de ésta manera se logra controlar la forma de onda deseada

en cada pulso del rectificador, en éste caso, rectificador de onda completa de 6 pulsos.

i) El principio de operación del tiristor:

Mediante la siguiente figura se explicará de manera simple y precisa la forma en que los tiristores realizan la rectificación:

La simulación del “circuito1” se ha realizado mediante PSIM® Las curvas obtenidas se muestran a continuación:

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Como se puede observar de la “Figura1” el tiristor permite el paso de la corriente cuando se le aplica un pulso en la compuerta “gate”, éste pulso puede ser de un ciclo de trabajo pequeño, lo que importa es que active al tiristor cuando su corriente sea positiva.

ii) Principio de operación de rectificador de onda completa con diodos:

El principio de operación de un rectificador de onda completa con diodos consiste en rectificar una señal alterna convirtiéndola en una señal puramente positiva. Para un sistema rectificador trifásico consiste en básicamente “sumar” las 3 señales rectificadas con onda completa y obtener una señal puramente positiva, con una componente continua y un rizo alterno asociado.

El diagrama de curvas obtenidas se muestra a continuación:

La simulación del “circuito1” se ha realizado mediante PSIM® Las curvas obtenidas se muestran a continuación:

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En la figura 2 se observa lo mencionado anteriormente, se obtiene una señal DC con un rizo añadido. A partir del marco teórico previo se puede establecer la base para fundamentar la rectificación controlada mediante sincronismo coseno.

III. Sincronismo coseno

i) Funcionamiento básico: El objetivo del sincronismo coseno o también conocido como el método de disparo del coseno es comparar una señal coseno con una señal de referencia DC. En el punto en que la señal coseno cruza la señal de voltaje DC de referencia medida por el comparador se dispara un pulso que excita el “gate” del tiristor (SCR) activando este último.

Podemos observar que el método del cruce de coseno es un sistema prealimentado, que estimando una referencia esta es comparada con la señal cosenoidal. El rango de ángulos utilizables es entre 0 y 180°, los ángulos superiores a 180° son descartados, ya que el rango de ángulos entre 180° y 360° son utilizados a modo de inversor. El rango ángulos utilizables en la práctica varía entre los 5° y 165°.

En la figura 3 se muestran los valores de las referencias para distintos ángulos de disparo: 30°,60°,120° y 150°. El cruce se realiza con una onda cosenoidal de amplitud unitaria. Teniendo en cuenta:

Se procede a demostrar la linealidad del método del Sincronismo coseno de la siguiente forma: El ángulo de disparo se producirá cuando:

( ) (1)

(

) (2).

El voltaje de salida en la carga para un rectificador trifásico controlado de 6 pulsos está dado por la siguiente ecuación:

(3)

Notamos que con la ecuación (3) obtuvimos una relación lineal entre y

Comparador Generador de

Pulsos

Gate Tiristor

Señal

Coseno

Señal

Referencia

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1Ángulos de disparos para Vref Normalizados

Ángulo [°]

Voltaje

de R

efe

rencia

[V

]

Figura3: Comparación de distintas referencias con una señal coseno de amplitud unitaria

Diagrama1: Esquema del funcionamiento método sincronismo coseno

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, siendo así el sincronismo coseno un

método lineal. Remplazando la ecuación (2) en (3) se obtiene:

( (

) )

(4)

ii) Formas de ondas para

Funcionamiento Requerido La señal de control es una señal coseno que se genera mediante el valor medio de dos de las 3 señales de la entrada trifásica, esta señal generada se compara con un valor de referencia y cuando esta señal se interseca con la referencia se produce el pulso disparador que activa al tiristor, es decir, mediante la señal de referencia se ajusta el valor de salida del rectificador. Esto se hace para los 3 casos (Va y Vb, Vb y Vc, Vc y Va), esto se realiza simplemente replicando los 3 pulsos de disparo a su par correspondiente, lo que ocasiona un desfase en 180 grados entre cada uno de los casos. La señal de salida será como la rectificación de 6 pulsos onda completa no controlada pero con un “recorte” en su voltaje dado por el ángulo de disparo dado. Los parámetros a determinar son el siguiente orden: De la ecuación (3):

(4)

La señal a comparar con la referencia es la señal promedio cos(α) de las líneas respectivas, tomando ésta condición reescribimos la ecuación (1) como:

( ) (5)

Con las ecuaciones (4) y (5), dado un voltaje Es de source y de salida Edo se puede establecer Vref y α. Debido a que la señal coseno se genera con la señal de entrada, si la señal de referencia está por sobre o bajo la señal coseno, no se produce el pulso disparador, lo que ocasiona problemas de conmutación, de manera similar, como la señal coseno se genera con la entrada, si se produce algún SAG (caídas de voltaje), se alterará la señal coseno, y puede ocurrir que no se intercepte con la señal de referencia, por lo que no se produce el pulso disparador ocasionando que no se conmute causando posiblemente corrientes prohibitivas altamente destructivas, otro problema causado por posibles SAG es que se altera el ángulo de disparo, es decir, si una de las fases de la señal trifásica de entrada está debilitada desde la red, el ángulo se realizará antes, por lo que se exigiría mayor corriente a

Figura4: Funcionamiento general del rectificador controlado mediante sincronismo coseno.

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esta fase debilitada, ocasionando problemas hacia la red de suministro principal, algo negativo para el sistema. En la figura 4 se puede observar el método de funcionamiento general del rectificador controlado mediante el sincronismo coseno, se aprecia que el “recorte” de la señal se produce en el momento en que la señal coseno a comparar es igual a Vref, esto ocasiona una disminución en el valor del voltaje de salida efectivo Edo, que es lo que se quiere lograr mediante éste método. Si queremos variar la referencia basta con cambiar el ángulo de disparo y recalcularla con la fórmula (5) para que sea nuevamente comparada con la señal coseno generada.

IV. Evaluación proyecto

Las especificaciones del proyecto son: “Simular un rectificador, utilizando el sincronismo Coseno. Determine la forma de onda en la entrada y la salida para el voltaje y la corriente, el factor de potencia en la entrada, THDv, THDi y el contenido armónico en la línea del primario.” [ ] [ ] [ ] De lo anterior debemos especificar el voltaje de salida deseado, que es: |( )

|

Con lo anterior se obtiene [ ] Estableciendo una fuente de: [ ] De la ecuación (4) se obtiene un ángulo de:

(

)

Luego, de la ecuación (5):

( )

[ ] La simulación que se mostrará a continuación fue realizada mediante el

programa PSIM®, se ha omitido las entradas a los gates de los thiristores y los medidores de corriente y voltaje por motivos de espacio y simplicidad.

Circuito3: Rectificador controlado onda completa 6 pulsos.

Los resultados obtenidos son:

Figura5: Resultados de simulación de “circuito3”, cada figura corresponde al título indicado.

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Figura6: Resultados de simulación de “circuito3”, cada figura corresponde al título indicado.

Resultados tabulados:

FP 0.786 THDv 1,505·10-3 THDi 3,092·10-1

Contenido armónico

5, 7, 11, 13, 17 19, 23, 25

Vout [rms] 5,002 [KV] Iout [rms] 9,930 [Ka]

a (razón de vueltas) 0.1347

Tabla1: Resumen simulación con disparo a

Ahora bien, como no se alcanzó con la corriente requerida, se ha ajustado mediante iteración el ángulo de disparo, ya que el principal objetivo del sincronismo coseno es regular el Voltaje de salida, no la corriente, y como esta última es influenciada por los elementos conductores no podemos precisar a priori su valor respecto al voltaje, el ángulo encontrado para una corriente muy

cercana a los 10KA es: 60,35°, cuyos resultados son:

FP 0.7833 THDv 1,505·10-3 THDi 3,092·10-1

Contenido armónico

5, 7, 11, 13, 17, 19,23,25

Vout [rms] 5,102 [KV] Iout [rms] 10,001 [Ka]

a (razón de vueltas) 0.1347

Tabla2: Resumen simulación con disparo a

Figura7: Resultados de simulación de “circuito3”, con ángulo de disparo de 60,35°

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V. Conclusiones del proyecto

• La distorsión armónica observada es

mínima, pues como se suponía, el

sincronismo coseno tiene una buena

respuesta en lo que es eliminar armónicas

que contaminen el sistema, pero a causa de

esto se genera más potencia reactiva. Esto

último es un detalle importante pues aun

cuando elimine armónicas que contaminen

el sistema, si se genera más potencia

reactiva, la eficiencia del sistema

disminuye por lo que se observa que el

método de sincronismo coseno es un mal

método de control y se debería escoger

método de sincronismo rampa para

disminuir potencia reactiva aun cuando

pueda o no generar más distorsión

armónica. El aumento de la potencia

reactiva se evidencia por el desfase que se

observa entre el voltaje y la corriente de

entrada. Esto influye en que el factor de

potencia que disminuye, por lo que hay

más pérdidas de potencia en el sistema, lo

cual es un punto negativo en lo que

respecta a la eficiencia del sistema

mediante este sincronismo.

• En el punto anterior señalamos que es

preferible usar el método de sincronismo

rampa. La principal razón de ello es que el

sincronismo rampa es realimentado, a

diferencia del sincronismo coseno que es

prealimentado. En caso de que ocurra un

SAG para un sistema prealimentado es casi

imposible determinar una referencia para

corregir el error de forma inmediata, ya

que esta se estima a priori, en cambio para

un sistema realimentado, como el

sincronismo rampa, la salida con error es

comparada con la referencia y se corrige

de inmediato, haciendo este último un

método de sincronismo altamente

confiable, a diferencia del sincronismo

coseno, que es potencialmente inestable.

• Se observó que al usar sincronismo

coseno si la referencia es más alta que el

valor máximo de la señal coseno creada

por las entradas no se produce

conmutación, o si ocurre un cierto SAG en

la señal de entrada puede ocurrir que la

señal coseno creada por las entradas no

alcance nunca el valor de la señal de

referencia, al no ocurrir la conmutación

entre estados del circuito se producen

corrientes prohibitivas entre ramas del

rectificador que no deben estar activadas

al mismo tiempo, las que pueden ser

destructivas , debido a que son de muy alta

magnitud, el doble de la corriente que

normalmente pasaría en condiciones

normales.