Una de las mayores satisfacciones de la vida es el de planear un pequeño proyecto, “mientras se toma una taza de café hirviendo para despertar los sentidos”, diseñarlo, fabricarlo y verlo finalizado y aun mejor! funcionando. Aveces soluciones mejores ya existen, pero da mucha satisfaccion ejecutar la labor uno mismo. Les presento un pequeño proyecto de electronica de potencia que realice hace algun tiempo que espero les guste:
Una de las aplicaciones de los tiristores es el del cambio de frecuencia (ciclo conversores) de la señal eléctrica alterna, en específico la reducción de esta. Acontinuación, se observa una gráfica resultante de la forma de onda, como la de la figura 1, que proporcionaría una frecuencia menor a la de la fuente. En los siguientes posts explicaré la metodología que utilizé para diseñar y construir un sistema con SCR que emulara la forma de onda vista:
Figura 1. Reducción de frecuencia de 60hz a 30hz.
Se notó que la forma de onda para el primer medio ciclo fue igual a la salida de un rectificar de onda completo.
Figura 2. Rectificador de onda completa para un secundario sin tap central, y forma de onda a su entrada y salida.
Se hizo una generalización de este rectificador como un caso especial del rectificador mixto, en el que los tiristores son disparados a cero grados. De esta manera, se concluyó que la forma de onda requerida era la de un rectificador mixto. (despreciando por el momento la regulación del ángulo de disparo)
Figura 3. Rectificador mixto. Nótese como son necesarios solo 2 tiristores para el control del ángulo de disparo.
El análisis de la circulación de la corriente fue el siguiente:
Ciclo positivo
Figura 4. Sentido de la corriente en el primer medio ciclo para una señal de voltaje sinusoidal (170vpp, 60hz). Se observa que la fase se ha denotado como “Positivo” y la referencia como “Negativo” con el objetivo de mostrar claramente la dirección de la corriente.
En la figura 4, en el primer medio ciclo de una señal sinusoidal de voltaje, el tiristor SCR1 y el diodo D2 se encontraban polarizados en directa. Posteriormente, se disparó el tiristor SCR1 y se obtuvo la conducción que se muestra en la imagen. El resultado es un voltaje positivo atreves de la carga R1.
Luego, cuando el voltaje de la fuente se hace cero, el tiristor deja de conducir al ser polarizado en reversa por la señal fluctuante en el tiempo. Es así, que ahora se tienen el tiristor SCR2 y D1 polarizados en directa, solo basta disparar SCR2 para lograr la conducción tal y como se muestra en la figura 5.
Figura5. Sentido de la corriente en el segundo medio ciclo para una señal de voltaje sinusoidal (170vpp, 60hz). Se observa que la fase se ha denotado como “Positivo” y la referencia como “Negativo” con el objetivo de mostrar claramente la dirección de la corriente.
La corriente convencional fluye ahora de tal manera que el voltaje en la carga no cambia de signo. La corriente siempre la atraviesa en el mismo sentido.
Es así, que se llegó a la idea de cómo podría obtenerse la forma de onda en el intervalo de 0.02 a 0.04 para la figura 1: Se necesitaría un sistema, siempre alimentado por la misma fuente, que fuese capaz de exponer la carga a una corriente en sentido contrario al de la figura 4 y 5. De esta forma, se obtendría un voltaje negativo en la carga.
Lo primero que se analizo fue otro rectificador mixto conectado a la carga pero con sus terminales de salida invertidos, es decir la terminal que se conectaba al positivo de la carga en la figura 4 y 5, ahora se conectaría al negativo y la terminal que se conectaba al negativo de la carga, ahora se conectaría al positivo de la carga.
Figura 6. Primer sistema analizado con el objetivo de conseguir la forma de onda de la figura 1.
La conducción para un ciclo se muestra a continuación:
Figura 7. Arreglo de un rectificador mixto adjunto con el deseo de conseguir un voltaje negativo en la carga. Nótese el problema: La corriente tiene dos posibles caminos, el diodo polarizado en directa del primer rectificador mixto y otro diodo, también en directa, del segundo rectificador mixto.
Rápidamente, se concluye que al hacer el arreglo de la figura 7 se está cortocircuitando el sistema. (el terminal conectado al neutro del primer rectificador y el terminal conectado a línea del segundo).
Por lo tanto, se requiere un diseño que obligue a la corriente a ser redirigida tal y como se muestra en la figura 7.
Una forma de lograrlo es el de cerrar el paso en el primer rectificador mixto. Para esto, se cambia el diodo problemático del primer rectificador por un tiristor. Ahora, se necesitará dispararlo para que pueda conducir.
Hasta ahora se tiene lo siguiente:
Figura 8. Al cambiar el segundo diodo de la figura 7 por un scr, se garantiza la trayectoria de la corriente mostrada si no se dispara el scr.
Luego se procede a analizar que ocurre en el medio ciclo negativo. Siempre recordando que se necesita una corriente entrante en el terminal negativo de la carga.
Figura 9. Trayectoria de la corriente necesaria para el medio ciclo negativo con el objetivo de obtener una rectificación invertida, como se muestra en la figura 1. Nótese el problema: La corriente tiene dos posibles caminos, el diodo polarizado en directa del primer rectificador mixto y otro diodo, también en directa, del segundo rectificador mixto.
La corriente tiene dos posibles caminos, y prefiere la trayectoria de menor resistencia. Por lo tanto, se tiene un cortocircuito en el sistema de la figura 9. Es así que, se debe agregar otro SCR en lugar del primer diodo del primer rectificador mixto.
El sistema hasta ahora luce de la siguiente manera:
Figura 10. Se han añadido dos scrs reemplazando a los diodos en el primer rectificador mixto con el objetivo de obtener las trayectorias de corriente de la figura 9 y la figura 8.
De la misma manera, se llega a la conclusión que cuando el primer rectificador conduzca se tendrá el mismo problema: los diodos del segundo rectificador mixto actuaran como cortocircuito. Por lo tanto, se intuye que se requerirán reemplazar estos diodos por scr. Entonces, se tendrá control completo de la trayectoria de la corriente.
El sistema completo lucirá como el mostrado a continuación:
Figura 11. Sistema diseñado con el objetivo de obtener la forma de onda de la figura 1.
De esta forma, se ha obtenido un sistema del cual es posible obtener la forma de onda de la figura 1. Ahora se mostrará la secuencia de disparo necesario para conseguir tal meta.
En la figura siguiente se muestra el set de tiristores que deben ser disparados al mismo tiempo al cruce por cero de la señal de la fuente con el objetivo de conseguir la señal de salida deseada.
Señal de la fuente:
Señal de salida deseada:
Orden de disparo de set de tiristores
Figura 12. Señal de entrada, señal de salida y orden de disparo de set de tiristores para obtener la señal de salida.
Disparando en el orden anteriormente mostrado los tiristores se ha conseguido la siguiente señal:
Figura 13. Señal AC de 30Hz.
La señal de salida tiene la misma amplitud que la original, sin embargo, la frecuencia ya no es 60hz sino, 30hz.
Este resultado, hace intuir que el sistema diseñado estará limitado a disminuir la señal de entrada a ciertas frecuencias específicas.
Ahora se procederá a analizar qué sucedería si se quisiera reducir aún más la frecuencia de la señal de entrada usando la misma deducción que para la señal de 30hz.
Si se tuvieran 3 crestas positivas y 3 crestas negativas en un periodo:
La señal tardaría 3 veces más en completar un periodo, por lo tanto = 60hz/3 = 20hz. La señal será de 20hz.
Si se tuvieran 4 crestas positivas y 4 crestas negativas en un periodo la señal tardaría 4 veces más en completar un periodo, por lo tanto = 60hz/4 = 15hz.
Así sucesivamente, se pueden ir obteniendo las frecuencias obtenibles con el sistema diseñado.
