Laboratorio de Introducción a la Electrónica de Potencia Práctica 1. Alumnos:

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Alumnos

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Grupo

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PRÁCTICA 1: DISEÑO Y VERIFICACIÓN DE UN RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE

MEDIA ONDA NO CONTROLADO. CARGA R, RL. OBJETIVO

• Comprobación del funcionamiento del rectificador monofásico de media onda con carga resistiva e inductiva. Efecto del diodo volante sobre la carga inductiva.

• Análisis comparativo de los resultados teóricos y experimentales. Explicar posibles divergencias.

1. Introducción.

La etapa de entrada de la mayoría de los sistemas de potencia, que se alimentan directamente de la red alterna, está formada por un circuito rectificador. La tensión alterna de red (50 ó 60 Hz) se rectifica y se filtra ligeramente para obtener una tensión continua que alimenta a los reguladores.

La misión del rectificador es distorsionar la sinusoide de entrada para que su salida tenga una componente de continua. También aparecen armónicos no deseados, que deberán ser filtrados, para alimentar a la carga con una tensión prácticamente continua.

Entre otras aplicaciones, las áreas típicas son: fuentes de alimentación, calefacciones eléctricas, instalaciones de iluminación, accionamientos eléctricos, dispositivos de alimentación de energía, etc. En función de la potencia y de la tensión requerida, se elige entre convertidores estáticos, conmutados por la red, con conexión monofásica o trifásica.

Los rectificadores no controlados están formados exclusivamente por diodos, no necesitando circuitos de mando, por lo que los diodos conmutan de manera natural, es decir, forzados por la fuente de alimentación de entrada.

En la figura 1a y 1b se muestran las configuraciones básicas de los montajes rectificadores monofásicos de media onda y de onda completa.

a) b)

Figura 1: Configuración básica de los rectificadores monofásicos de media onda y onda completa. Las características deseables de un rectificador son:

9 Proporcionar una salida continua con el menor contenido en armónicos posible (bajo rizado).

9 Mantener la corriente de entrada tan senoidal como sea posible y en fase con el voltaje de entrada, de tal forma que el factor de potencia esté cercano a la unidad (mayor aprovechamiento de la potencia entregada por la fuente).

Rectificador tipo PD2 o de onda completa

+

-

U

d

I

d

Rectificador tipo P1 o media onda.

I

d

+

-

U

d

(2)

De acuerdo con estas premisas, el rendimiento de un rectificador se evalúa en función de los parámetros siguientes:

• Valor medio de la tensión de salida: Udo

• Valor medio de la corriente de salida (de carga) Ido

• Potencia entregada a la carga o potencia activa: _do _do T

dc

v

t

i

t

dt

U

I

T

P

=

1

∫

(

)

⋅

(

)

=

⋅

[W]

(únicamente para carga resistiva) • Valor eficaz de la tensión de salida, Ud_eff

• Valor eficaz de la corriente de salida Id_eff

• Potencia de salida en ac o potencia aparente:

P

_ac

=

Ud_eff⋅ Id_eff [VA]

• El Factor de conversión, o eficiencia, se define como el cociente entre la potencia activa y la aparente:

ac dc P P = η

• Valor efectivo (rms) de la componente ac de la tensión de salida: 2 2 ,

_ac deff do

RMS

U

=

−

• Factor de forma, que es una medida del contenido de la componente ondulatoria:

do eff d F

U

f

=

, • Factor de rizado: 2 1 100(%) 2 2 , _ _⎟_⋅ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₋ = − = = _F do do eff d do ac RMS f U U U U U r

2. Montaje experimental.

Realizar el montaje del rectificador monofásico de media onda, con carga resistiva de la figura 1a.

Figura 2: Disposición del montaje experimental

Se dispone de un transformador de red (220 / 32 Vac), un interruptor y un fusible (rearmable), tal y como se indica en la figura 2, montado en una caja que llamaremos “tarjeta de red”.

Los pasos a seguir son:

1. Conectar la “tarjeta de red” a la toma de red y verificar con el osciloscopio que se obtiene una tensión senoidal de salida de 32 Veff (aproximadamente), una vez encendido el interruptor. Medir con el multímetro

el valor eficaz de dicha tensión senoidal. Vsec = ... Veff

2. Apagar el interruptor y conectar al transformador un diodo rectificador (BY255 ó BY299) y una carga de 31.3 Ω, de acuerdo con la configuración de la figura 1a (rectificador de media onda). Son válidos cualquiera de los dos diodos siguientes.

BY255: 1300 V / 3 A BY299: 1000 V / 2 A / <500 ns

Tarjeta de red

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3. Dibujar la forma de onda de tensión y corriente en el secundario del transformador y tensión y corriente en bornes de la carga.

CH1: Ud Escala: ... B.T.: ... CH1: Vsec Escala: ... B.T.: ...

CH2: Id Escala: ... CH2: Isec Escala: ...

4. Dibujar la forma de onda de la tensión ánodo-cátodo del diodo rectificador. Para una carga máxima de 31.3 Ω verificar la corriente directa por dicho diodo y su tensión inversa. Comprobar que el diodo rectificador está sobredimensionado.

CH1:VAK (diodo) Escala: ... B.T.: ...

CH2: IDiodo Escala: ...

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5. Medidas experimentales: Se van a efectuar medidas de valor de pico, medio y eficaz de tensión en la carga y en el secundario del transformador. Recordar que para carga resistiva y rectificador de media onda obtenemos los siguientes resultados teóricos, donde Vm es el valor de pico:

• Valor medio: U_do =Vm

π

(1)

• Valor eficaz: U_{d eff}_{_} =Vm

2 (2)

Las medidas podrán hacerse con el osciloscopio o con un multímetro. Aunque la medida con el osciloscopio es más inmediata no es tan precisa, además algunas medidas pueden no ser correctas o no pueden realizarse, así pues es conveniente medir con el multímetro o con el osciloscopio según el tipo de medida. Las medidas con el multímetro solo serán correctas si se utiliza un instrumento “true RMS”. Hay que tener en cuenta que cada medida debe realizarse seleccionando las opciones adecuadas. Concretamente hay que acoplar el instrumento en dc, ac+dc o ac según la medida a efectuar.

Medir con el osciloscopio el valor de pico de la tensión sobre la carga y a partir de este valor calcular, con las expresiones que se han dado, los valores medio, eficaz, y URMS_AC. Anotarlos en la tabla.

Tensión de pico Valor medio (Udo) Valor eficaz (Ud_eff) Valor URMS_ac

Medir con el multímetro y anotar en la tabla. Valor medio (Udo) (DMM en V ) Valor eficaz (Ud_eff) (DMM en ; True-RMS) Valor URMS_ac (DMM en )

• Comparar valores teóricos y experimentales y comprobar que se cumple la expresión:

2 2 , _ac deff do RMS

U

=

−

Medir con el multímetro el valor medio de la tensión en el secundario del transformador, (<Vsec>) y el valor eficaz (Vsec_eff).

Valor medio (<Vsec>) Valor eficaz (Vsec_eff)

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• ¿Cuál es el valor medio esperado para la tensión en el secundario del transformador? ¿Es entonces coherente la medida efectuada? Explicar las posibles divergencias (tener en cuenta que el transformador de red está formado por un gran número de vueltas, lo que implica una gran resistencia en serie, tanto en primario como en secundario). Concretamente un posible modelo del transformador con los elementos necesarios a tener en cuenta puede ser.

Conclusiones:

• Visualizar la forma de onda de la tensión en el secundario del transformador. ¿Es el mismo el valor de pico de la tensión para los semiperiodos positivos y para los negativos? ¿Es el resultado coherente con las conclusiones del apartado anterior?

6. Medidas experimentales de los parámetros de rendimiento del rectificador de la figura 1a, tomando una carga resistiva de 31.3 Ω.

Las medidas de corriente se efectuarán sabiendo la tensión sobre la carga y el valor resistivo de ésta. Udo Ido Pdc Ud,eff Id,eff Pac Vrms-ac η Id_RMS_ac ff r

7. Efectuar ahora diferentes medidas pero cambiando la resistencia de carga. La carga será ahora de 1kΩ. Tensión de pico sobre la carga:

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• ¿Es ahora diferente la tensión de pico sobre la carga respecto al caso con R = 31.3 Ω? En caso afirmativo, ¿A que dos factores principales puede ser debido?

Medir con el multímetro el valor medio de la tensión en el secundario del transformador, (<Vsec>) y el valor

(Vsec_eff).

Valor medio (<Vsec>) Valor eficaz (Vsec_eff)

• ¿Ha cambiado el valor medio de la tensión en el secundario del transformador? ¿Porqué se produce este cambio respecto al caso R = 31.3 Ω?

8. Rectificador monofásico de media onda con carga RL.

• Como carga inductiva se toma el secundario de un pequeño transformador de red, cuya inductancia magnetizante es de 226 mH y la resistencia de 25.5 Ω a la frecuencia de 100 Hz (medida tomada con el analizador de impedancias).

• La parte resistiva de la carga será: Resistencia bobinada de 31.3 Ω (Realmente si debieran hacerse cálculos precisos hay que sumarle la introducida por el bobinado de la inductancia de carga).

Visualizar la tensión en bornes de la bobina, la corriente por el diodo rectificador y la tensión ánodo-cátodo del diodo rectificador.

CH1: VL = VK(diodo) - VR Escala: ... B.T.: ... CH1: VAK(diodo) Escala: ... B.T.: ...

(7)

CH1: Ud Escala: ... B.T.: ...

CH2: Id Escala: ...

• Explicar el efecto de la carga inductiva en la forma de onda de la tensión de salida.

• Medir con el osciloscopio el valor de pico y con el multímetro los valores medio y eficaz de la tensión sobre la carga. A partir de la forma de onda realizar una medida del ángulo de extinción de la corriente. Anotar los resultados en tabla adjunta.

Rectificador monofásico con carga inductiva

Tensión en la carga (V) Experimental Valor de pico

Valor medio Valor eficaz

Ángulo de extinción de corriente

Realizar una comparación con los resultados obtenidos anteriormente con carga resistiva. Explicar posibles divergencias.

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9. Tomar ahora como carga inductiva el primario del transformador de red ( L ≈ 8.7 H & Rs = 851 Ω @ 100 Hz, medido en el analizador de red). Observar como el ángulo de extinción de corriente ha aumentado considerablemente, debido al incremento en la constante de tiempo de la carga

Rs

L

=

τ

, acercándose a 2 T . En el caso en que Rs L = τ fuese mayor de 2

T la corriente de carga no llegaría a anularse y

estaríamos en un modo de funcionamiento continuo.

Dado el bajo valor de la corriente de carga, no es posible realizar su medida con la sonda de corriente DC. En su lugar se medirá la tensión VR entre extremos de la resistencia de 31.3 Ω en serie con la

inductancia de carga siendo Id = VR / 31.3 Ω.

CH1: Ud Escala: ... B.T.: ...

CH2: VR Escala: ...

10. Una vez analizado el montaje anterior, repetir los apartados con carga RL y L=226mH añadiendo un diodo volante en paralelo con la carga, tal como indica la figura 2.

Observar las formas de onda de tensión sobre la carga Ud. Pueden aparecer tres tramos diferenciados, o

sólo los dos primeros de la lista siguiente:

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

<

Φ

<

−

<

⋅

=

π

2

0 volante)

(diodo

0 )

sen(

.

wt

V

wt

V

v

ext ext AK m d

CH1: VL = VK(diodos) - VR Escala: ... B.T.: ... CH1: Ud Escala: ... B.T.: ...

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Viendo la tensión sobre la carga cuidadosamente, ¿aparece el tercer tramos donde Ud = 0? ¿Cómo opera

el rectificador en modo continuo o discontinuo?

Medir con el osciloscopio el valor de pico y con el multímetro los valores eficaz y medio de la tensión en la carga. Comentar la diferencia que aparece en el valor medio respecto al caso en que no había diodo volante.

Valor de pico Valor eficaz Valor medio Tensión en la carga (V)

Con diodo volante

Comentarios:

11. Justificar mediante la expresión adecuada la relación entre la tensión y la corriente por la bobina. ¿Que tensión soporta la bobina cuando la corriente por ella es la máxima? Justificarlo.

12. Dibujar la corriente por la carga y la corriente por el diodo rectificador y volante y comparar con la corriente de carga del apartado 8.

CH1: Id Escala: ... B.T.: ... CH1: Idiodo rectificador Escala: ... B.T.: ...

CH2: Idiodo volante Escala: ...

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Cuestiones adicionales:

• ¿Cuál es la misión del diodo volante? ¿Cuándo la carga devuelve energía a la fuente, cuando está el diodo volante o cuando no está?

Las dos figuras siguientes corresponden a las formas de onda de tensión y corriente que proporciona una fuente de tensión senoidal para dos cargas diferentes y de naturaleza desconocida. Se asume que el pico de corriente es prácticamente el mismo en los dos casos (la corriente corresponde a la onda desfasada)

Figura A Figura B

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CONECTOR J1: TERMINALES DE LA CARGA RL CONECTOR J2: Posición 1: carga R S2 S3 S4 S5 CARGA ON ON ON ON R = 23.6 Ω ON ON OFF ON R = 31.3 Ω ON ON ON OFF R = 47.2 Ω ON ON OFF OFF R = 94 Ω ON OFF ON ON R = 1kΩ

OFF Circuito abierto

Posición 2: carga RL S2 S3 S4 S5 CARGA OFF ON OFF ON L2 + L3= 226mH @ 25.5Ω a 100Hz y R = 31.3 Ω ON ON OFF ON L1 = 8.7H @851Ω a 100Hz y R = 31.3 Ω Posición 3: carga RL S2 S3 S4 S5 CARGA OFF ON OFF ON L3 = 55mH @7.5Ω a 100Hz y R = 31.3 Ω ON - - - Circuito abierto