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LABORATORIO X TALLER SIMULACIÓN 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: PRÁCTICA N : 01 I. TEMA: Funcionamiento de un Tiristor en un circuito DC y CA con carga R, RL. II. OBJETIVO: Conocer qué es un tiristor y cómo funciona. Se familiarizará con el funcionamiento del tiristor en los circuitos ca con una carga resistiva o una inductiva. III. MARCO TEÓRICO El tiristorEl tiristor, también llamado rectificador controlado por silicio (SCR), (del inglés Silicon- Controlled Rectifier) es un semiconductor que permite el paso de corriente eléctrica en una sola dirección. La figura 2 muestra la construcción, los terminales y el símbolo esquemático de un tiristor. Este está compuesto por cuatro capas de material tipo P y de tipo N. Tiene tres terminales: un ánodo (A), un cátodo (K) y una puerta (G). La puerta (G) se utiliza para iniciar la conducción (es decir, para encender el tiristor). Cuando el tiristor conduce, funciona como un diodo, permitiendo el paso de corriente del ánodo (A) al cátodo (K). Figura 1 : Tiristores típicos para aplicaciones de baja, media y alta potencia
Funcionamiento de un tiristor en un circuito cc El funcionamiento de un tiristor en un circuito cc se describe a continuación: Cuando no hay tensión entre el ánodo y el cátodo, el tiristor está en el estado “apagado” (bloqueado). Por tanto, actúa como un interruptor abierto y por él no circula corriente, como muestra la figura 3. Figura 3 : Cuando no hay tensión entre el ánodo y el cátodo, el tiristor actúa como un interruptor abierto. Por tanto, no hay flujo de corriente por éste. Si hay una tensión entre el ánodo y el cátodo, y ésta es menor en el ánodo que en el cátodo (es decir, la tensión EAK es negativa), el tiristor está polarizado inversamente. Por tanto, el tiristor funciona como un interruptor abierto y no hay paso de corriente por él, como muestra la figura 4. Si hay una tensión entre el ánodo y el cátodo, y Figura 2 : Construcción, terminales y símbolo esquemático de un tiristor.
Funcionamiento del tiristor en un circuito ca (carga resistiva) La figura 9 muestra un circuito que consiste en un tiristor conectado entre una fuente de tensión ca, 𝐸𝐹, y una carga resistiva (resistorR). Un impulso rectangular de corriente, 𝐼𝐺, con un valor suficiente para activar la conducción fluye de la puerta al cátodo del tiristor cada vez que el ángulo de fase es 0°.
Funcionamiento del tiristor en un circuito ca (carga resistiva e inductiva)
- Bobinas/condensadores de filtrado
- Cables de conexión
- Carga resistiva
- Computadora personal
- Conjunto de funciones Control con tiristores
- Dinamómetro/Fuente de alimentación de cuatro cuadrantes
- Fuente de alimentación
- Fuente de alimentación ca de 24 V
- Interfaz de adquisición de datos y de control
- Puesto de trabajo
- Tiristores de potencia V. DESARROLLO:
- Obtenga la lista de los equipos necesarios para realizar este ejercicio. Instale el equipo en el puesto de trabajo.
- Conecte la Alimentación de la Interfaz de adquisición de datos y de control a una fuente de alimentación ca de 24 V. Conecte la Alimentación baja potencia del módulo Tiristores de potencia a la Alimentación de la Interfaz de adquisición de datos y de control. Encienda la fuente de alimentación ca de 24 V. Módulos mencionados en el punto 2 a utilizar.
Conecte el puerto USB de la Interfaz de adquisición de datos y de controla un puerto USB de la computadora. Conecte el puerto USB del Dinamómetro/Fuente de alimentación de cuatro cuadrantes a un puerto USB de la computadora. Módulos utilizados en el punto 3
Asegúrese de que los interruptores de alimentación ca y cc de la Fuente de alimentación estén en la posición O(apagado), luego conecte la Fuente de alimentación a una toma ca trifásica. Asegúrese de que el interruptor de alimentación principal del Dinamómetro/Fuente de alimentación de cuatro cuadrantes esté en O (apagado), luego conecte su Entrada de alimentación a una toma ca mural. Coloque el interruptor Modo de operación del Dinamómetro/Fuente de alimentación de cuatro cuadrantes en Fuente de alimentación. Esto conecta la fuente interna del módulo a los terminales de la Fuente de alimentación en el panel frontal. Encienda el Dinamómetro/Fuente de alimentación de cuatro cuadrantes fijando el interruptor de alimentación principal en I (encendido). Módulos utilizados en el punto 4
- Encienda la computadora e inicie el software LVDAC-EMS.
Esto permite controlar el tiristor de potencia.
- Fije el parámetro Q1 en Apagado. Esto desactiva la señal de control de disparo del tiristor Q 1. Por lo tanto, la corriente que circula de la puerta al cátodo (corriente 𝐼𝐺) del tiristor es nula (cero).
- Deje los demás parámetros en sus valores predeterminados.
- Active la función Rectificador de tiristores de media onda monofásico haciendo clic en el botón En marcha/Parado o fijando el parámetro Estado a En marcha.
- En LVDAC-EMS, abra la ventana Aparatos de medición. Asegúrese de que estén habilitados los medidoresE1, E2, E3 e I1. Ajústelos para visualizar valores cc (corriente continua). Desactive el medidorE4. Seleccione el modo Regeneración continúa haciendo clic en el botón del mismo nombre.
- En el software LVDAC-EMS, abra la ventana Dinamómetro/Fuente de alimentación de cuatro cuadrantes y realice los ajustes siguientes:
- Fije el parámetro Función en Fuente de tensión (+). Esto hace que la fuente de alimentación interna funcione como una fuente de tensión positiva.
- Fije el parámetro Tensión en 100 V ingresando 100 en el campo justo al lado de este parámetro, o mediante la perilla de control en la esquina inferior izquierda de la ventana. Esto fija en 100 V la Tensión de la fuente (+).
- Active la función Fuente de tensión (+) haciendo clic en el botón En marcha/Parado o ajustando el parámetro Estado a En marcha.
- De acuerdo a las tensiones y la corriente que indican los medidores en la ventana Aparatos de medición, ¿está el tiristor encendido (es decir, hay un flujo de corriente (𝐼AK) del ánodo al cátodo)? Explique por qué.
- Inicie el Osciloscopio y visualice la señal de disparo del tiristor 𝑄 1 [Entrada analógica 1(AI-1) de la DACI]. Observe que está señal es de bajo nivel (0 V) ya que no hay paso de corriente por la puerta del tiristor 𝑄 1.
- En la ventana Control con tiristores, establezca el parámetro Q 1 en Encendido mientras que observa en el Osciloscopio la señal de disparo del tiristor 𝑄 1. Observe que la señal de disparo pasa de 0 V a cerca de 4 V, permitiendo así una corriente cuyo valor es suficiente para iniciar la conducción de la puerta al cátodo (corriente 𝐼𝐺) del tiristor. De acuerdo con los medidores, ¿el tiristor está encendido? ¿Por qué?
- En la ventana Control con tiristores, establezca el parámetro Q1 en Apagado. En la ventana Dinamómetro/Fuente de alimentación de cuatro cuadrantes, desactive la función Fuente de tensión (+) haciendo clic en el botón En marcha/Parado o estableciendo el parámetro Estado en Parado. Invierta las conexiones en los terminales del tiristor como se muestra en la figura. Esto invierte la orientación del tiristor y, por tanto, invierte la polaridad de la tensión que se le aplica.
- En la ventana Dinamómetro/Fuente de alimentación de cuatro cuadrantes, inicie la función Fuente de tensión (+) haciendo clic en el botón En marcha/Parado o estableciendo el parámetro Estado a En marcha. De acuerdo a las tensiones y la corriente que indican los medidores, ¿está encendido el tiristor? ¿Por qué?
- En la ventana Control con tiristores, establezca el parámetro Q 1 a Encendido mientras observa el Osciloscopio y los medidores. De acuerdo a las tensiones y la corriente que indican los medidores, ¿está encendido el tiristor (es decir, hay un flujo de corriente (𝐼𝐴K) del ánodo al cátodo)? Explique. En la ventana Control con tiristores, establezca el parámetro Q 1 en Apagado para desactivar la señal de control de disparo del tiristor 𝑄 1. ¿Cambia el estado del tiristor (encendido o apagado)? Explique. En la ventana Control con tiristores, deje el parámetro Q1 en Apagado. Mediante la perilla de control Tensión en la ventana Dinamómetro/Fuente de alimentación de cuatro cuadrantes, disminuya lentamente la tensión de salida de la fuente cc con el fin de disminuir progresivamente la corriente 𝐼AK (indicada por el medidorI1 en la ventana Aparatos de medición). Observe que cuando la corriente 𝐼AK alcanza cierto valor mínimo, cae súbitamente a cero mientras que la tensión a través del tiristor disminuye hasta un valor bajo (E2 disminuye a cerca de 1 V). Explique por qué.
red local ca (ver la tabla en el diagrama). Además, realice las siguientes conexiones a fin de observar la señal de control que se le aplica al tiristor 𝑄 1 : empleando un cable de 2 mm, conecte la Entrada de control de disparo 1del módulo Tiristores de potencia a la Entrada analógica 1 de la DACI. Utilice otro cable de 2 mm para conectar el terminal común (blanco) de las Entradas de control de disparo del módulo Tiristores de potencia a uno de los dos terminales analógicos comunes (blancos) de la DACI.
- En la Fuente de alimentación, encienda la fuente de alimentación ca trifásica colocando el interruptor correspondiente en I (encendido).
- En la ventana Control con tiristores del software LVDAC-EMS, realice los ajustes siguientes:
- Ajuste el parámetro Función en Rectificador de tiristores de media onda monofásico. Esto es necesario a fin de controlar el tiristor de potencia 𝑄 1.
- Ajuste el parámetro Q 1 en Activo. Esto hace que la señal de control de disparo del tiristor 𝑄 1 dependa de los parámetros Control del ángulo de disparo y Ángulo de disparo.
- Asegúrese de que el parámetro Control del ángulo de disparo esté ajustado en Perilla. Esto permite controlar manualmente el ángulo de disparo.
- Asegúrese de que esté en 0° el parámetro Ángulo de disparo. Esto establece el ángulo
de disparo del tiristor 𝑄 1 en 0°.
- Deje los demás parámetros en sus valores predeterminados. −Inicie la función Rectificador de tiristores de media onda monofásico haciendo clic en el botón En marcha/Parado o fijando el parámetro Estado a En marcha.
- En el Osciloscopio, visualice la tensión de la fuente (E1), la señal de disparo del tiristor Q (^1) [Entrada analógica 1(AI-1) de la DACI], la corriente (I1) y la tensión (E2) de carga en los canales 1, 2, 3 y 4, respectivamente. Ajuste la base de tiempo para visualizar al menos un ciclo de la forma de onda de tensión de la fuente. En el panel Ajustes del Osciloscopio, habilite la función Filtrado de adquisición. Observe la relación entre las formas de onda de la señal de disparo, la corriente 𝐼𝐿 y la tensión 𝐸𝐸𝐿𝐿 de la carga, y la onda de tensión de la fuente 𝐸𝐹. Observe que cada vez que la tensión de la fuente cruza el cero y se vuelve positiva, la señal de disparo pasa momentáneamente de nivel bajo a alto (es decir, de 0 V a cerca de 4 V). ¿En este instante el tiristor entra en conducción? Explique Observe que, durante la mayor parte de la mitad positiva de cada ciclo, las ondas de la corriente y la tensión de la carga tienen la misma forma que la onda de la tensión de la fuente. ¿Por qué la tensión y la corriente de la carga continúan siguiendo la onda de la tensión de la fuente después de que la señal de disparo vuelve a ser de bajo nivel (0 V)? Las formas de onda de la corriente y tensión de la carga, ¿vuelven a cero, justo antes del fin de la mitad positiva de cada ciclo de la onda de la tensión de la fuente, es decir, antes de que esta última cruce el cero y se vuelva negativa? ¿Por qué? Durante la mitad negativa de la tensión de la fuente, ¿son nulas la corriente y tensión de la carga? ¿Por qué?
- Evalúe la corriente de retención 𝐼𝐻, y registre el resultado a continuación. Corriente de retención 𝐼𝐻 = ________mA
- Evalúe el ángulo de conducción del tiristor. ¿Es ligeramente inferior a 180°?
marcha/Parado o estableciendo el parámetro Estado a En marcha.
- Mediante el Osciloscopio, observe la tensión de la fuente (E1), la señal de disparo del tiristor𝑄𝑄1 (Entrada analógica 1 (AI-1) de la DACI), la corriente de carga (I1) y la tensión de carga (E2) en los canales 1, 2, 3 y 4, respectivamente. Fije la base de tiempo para visualizar al menos un ciclo de la onda de tensión de la fuente. Observe la relación entre las formas de onda de la señal de disparo, la corriente 𝐼𝐿 y la tensión 𝐸𝐿 de la carga, y la onda de tensión de la fuente 𝐸𝐹. Cada vez que la tensión de la fuente cruza el cero y se vuelve positiva, ¿entra en conducción el tiristor? Explique La forma de onda de la corriente de carga, ¿es idéntica a la onda de la tensión de la fuente? ¿Por qué? Cuando la tensión de la fuente cruza el cero y se vuelve negativa, ¿el tiristor continúa conduciendo durante cierto tiempo aun si está polarizado inversamente? ¿Por qué? ¿Por qué deja de conducir el tiristor (es decir, se apaga) cierto tiempo después de que la tensión de la fuente cruza el cero y se vuelve negativa? Explique. Describa la forma de onda de la tensión de la carga con respecto a la onda de la tensión de la fuente. Una vez que la corriente y la tensión de la carga regresan a cero, ¿permanecen nulas por el resto de la mitad negativa de la onda de la tensión de la fuente? ¿Por qué?
- Evalúe el ángulo de conducción del tiristor. ¿Es este ángulo mayor que el obtenido en la sección anterior de este ejercicio para una carga estrictamente resistiva? ¿Por qué?
- En la Fuente de alimentación, apague la fuente de alimentación ca trifásica colocando el interruptor correspondiente en la posición O (apagado). Cierre LVDAC-EMS. Desconecte todos los conductores y devuélvalos a su sitio de almacenamiento. **VI. EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA:
- Describa brevemente la construcción de un tiristor y explique la función de cada uno de sus terminales.
- Enuncie los dos requisitos que se deben cumplir para encender un tiristor.
- Al retirar la tensión de la puerta del tiristor cuando éste ha empezado a conducir, ¿se detiene la conducción? ¿Cuándo deja de conducir el tiristor?
- La corriente de puerta necesaria para iniciar la conducción, ¿es muy pequeña comparada con la corriente principal** 𝐼ak **que puede fluir por el tiristor? Proporcione un ejemplo de la magnitud de la corriente que puede conducir un tiristor en aplicaciones industriales de alta potencia.
- Considere un circuito simple compuesto por un tiristor conectado entre una fuente de tensión ca y una carga resistiva. Un impulso de corriente de valor suficiente para iniciar la conducción fluye de la puerta al cátodo del tiristor cada vez que el ángulo de fase es 0°. Explique brevemente cómo opera el circuito y describa las formas de onda de la corriente y la tensión de la carga con respecto a la onda de la tensión de la fuente. VII. CONCLUSIONES:** (Se colocarán al menos 5 conclusiones con respecto a la práctica realizada) VIII. RECOMENDACIONES : (Se colocarán al menos 3 recomendaciones con respecto a la práctica realizada)
