4 - convertidor ca-ca empleando triacs

8/17/2019 4 - Convertidor CA-CA Empleando Triacs

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Instituto Politécnico Nacional

Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingenieríay Tecnologías Avanzadas

Ingeniería Mecatrónica

Electrónica de potencia

PRÁCTICA 4

“Convertidor CA-CA empleando triacs”

Profesor

Peza Tapia !"an Man"el

Al"#nos$enavente %&z'"ez !"an !os(

)lores Carrasco Mig"el Ángel%&z'"ez *alinas !a#yr Ag"stín

+r"po4M%,

)ec-a de realización ,. de a/ril de .0,1

Objetivos


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• Constr"ir el circ"ito de "n convertidor CA2CA "sando "n triodo para corrientealterna 3triac5

• 6ise7ar el circ"ito en /ase a &ng"los de disparo esta/lecidos5• E8peri#entar la f"ncionalidad del circ"ito s"#inistrando la corriente pro#edio de

salida a "n foco y posterior#ente a "n #otor de CA5•

Conocer el co#porta#iento del triac e identificar s"s venta9as y desventa9as de"so: en co#paración con el *CR5• 6efinir y analizar los paretros el(ctricos #&s i#portantes de los triacs: tales

co#o la corriente de disparo de co#p"erta: corriente de sosteni#iento: etc(tera5• Constr"ir "n circ"ito '"e proporcione "na i#agen de osciloscopio de la c"rva

característica de corriente2volta9e de "n tiristor5

Introducción

TEORÍA Y OPERACIÓN DE LOS TRIACS

Un triac es "n dispositivo de tres ter#inales "sado para controlar la corriente pro#edio'"e fl"ye a "na carga5 Un triac se diferencia de "n *CR en '"e (ste p"ede cond"cir corriente en c"al'"ier dirección c"ando est& en E;CE;6I60? de cond"cción por ciclo5 Con la distri/"ción de disparoapropiada: p"ede cond"cir d"rante @10? co#pletos por ciclo5 Por tanto: proporcionacontrol de potencia de onda co#pleta en l"gar del control de potencia de #edia ondaposi/le con "n *CR5

Imagen 1. Símbolo esquemático y nombresde terminales de un triac.


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os triacs tienen las #is#as venta9as '"e los *CR y los transistores so/re losinterr"ptores #ec&nicos5 ;o tienen re/ote de contacto: no for#an arcos a trav(s decontactos parcial#ente a/iertos: y operan #"c-o #&s r&pido '"e los con#"tadores#ec&nicos: por tanto prod"cen "n control de corriente #&s preciso5

FORMAS DE ONDA DEL TRIAC

as for#as de onda del triac son #"y si#ilares a las for#as de onda del *CR a e8cepciónde '"e p"eden disparar en el #edio ciclo negativo5 a fig"ra 12. #"estra las for#as deonda tanto del volta9e de carga co#o del volta9e de triac 3a trav(s de las ter#inalesprincipales para tres condiciones diferentes5

as for#as de onda de la fig"ra . 3a #"estra el triac APA+A6< d"rante los pri#eros@0? de cada #edio cicloB d"rante estos @0? el triac act=a co#o "n interr"ptor a/ierto5 Eneste lapso de tie#po el volta9e co#pleto de línea cae a trav(s de las ter#inalesprincipales del triac: sin volta9e aplicado a la carga5 Por tanto: no e8iste "n fl"9o decorriente a trav(s del triac o la carga5 a parte del #edio ciclo d"rante el c"al estasit"ación e8iste se deno#ina &ng"lo de retardo de disparo: 9"sto co#o s"cedió para "n

*CR5

Ta#/i(n en la fig"ra .3a: desp"(s de '"e -an transc"rrido @0?: el triac se dispara o seenciende: y se v"elve co#o "n interr"ptor cerrado5 En este instante el triac co#ienza acond"cir corriente a trav(s de s"s ter#inales principales y de la carga: y contin"atransportando corriente de carga d"rante lo '"e resta del #edio ciclo5 a parte del #ediociclo d"rante la c"al el triac se enciende se deno#ina &ng"lo de cond"cción5 El &ng"lo decond"cción en la fig"ra .3a es de ,0?5 as for#as de onda #"estran '"e d"rante el&ng"lo de cond"cción el volta9e de la línea entero se aplica a la carga: con la aparición delvolta9e cero a trav(s de las ter#inales principales del triac5

a fig"ra .3/ #"estra las #is#as for#as de onda con "n &ng"lo de retardo de disparo

#&s a#plio5 El &ng"lo de retardo es de ,.0? y el &ng"lo de cond"cción es de 10? en lafig"ra .3/5 6ado '"e la corriente fl"ye d"rante "na #enor parte del ciclo total en estecaso: la corriente pro#edio ser& #enor '"e lo '"e f"e para la condición de la fig"ra .3a5Por tanto: se transfiere #enos potencia de la f"ente a la carga5

os triacs: co#o los *CR y co#o la #ayoría de los de#&s dispositivos se#icond"ctores:#"estran variaciones notoria#ente a#plias en s"s características el(ctricas5 Estepro/le#a es en especial evidente con los triacs de/ido a '"e a #en"do s"cede '"e losre'"eri#ientos de disparo son distintos para las dos polaridades diferentes de volta9e deali#entación5 a fig"ra .3c #"estra las for#as de onda '"e il"stran este pro/le#a5 afor#a de onda de triac de la fig"ra .3c #"estra "n &ng"lo de retardo #&s pe'"e7o en el#edio ciclo positivo '"e en el #edio ciclo negativo de/ido a la tendencia del triac de

dispararse #&s f&cil#ente en el #edio ciclo positivo5


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(a) (b) (c)

Materiales

• , triac TIC..16• , 6IAC DT2@.• , capacitor de 05@@ ) a @40 %• , capacitor de 05, ) a @40 %• , capacitor de 05@@ ) a 40 %• , resistencia de >5. F• , resistencia de 5, F• , resistencia de ,00• , potenció#etro de ,00 F• , foco incandescente de ,00 G• , #otor de CA

Desarrollo

*e pide dise7ar el circ"ito de control para '"e el triac se dispare 3encienda en el intervalode 40? 2 ,40?: considerando los valores de los capacitores C ! C" ! #$%% &'5

Pri#ero se o/tiene el valor de la constante de tie#po a partir del volta9e nor#alizado5

V N =V BC, DIAC

V rms,l í nea=

32

120

Imagen 2. Formas de onda del voltaje de terminal principal y voltaje de carga del triac para trescondiciones diferentes, a! el retardo de disparo es Igual a "#$ tanto para el medio ciclo positivocomo para el medio ciclo negativo, b! el retardo de disparo es igual a 12# $ para ambos medios

ciclos. c! ángulos de retardo de disparo desiguales para los medios ciclos positivo y negativo.%sto es, por lo general, indeseable.


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∴V N =0.26

6e ac"erdo al &ng"lo de disparo inicial de 40? y al volta9e nor#alizado: se -alla laconstante de tie#po con ay"da de "nas gr&ficas: donde se o/t"vo '"e

τ 40

°

=0.32

A contin"ación se -alla el valor de la resistencia R, to#ando en c"enta la capacitanciaprop"esta5

R1=

τ 40 °

2 f C 1=

0.32

2(60)(0.33 X 10−6)

∴ R1=8.08 k Ω

*e "tilizó "n valor co#ercial de ($" )$

Para la parte del filtro se tiene la sig"iente e8presión '"e relaciona la constante de tie#po. con la resistencia R. y el capacitor C.5

τ 2= R

2C

2

Ade#&s:

τ 2=(15 a

1

2 )T

2

6onde T es el periodo en seg"ndos5*i la frec"encia es de 10 Dz: entonces T H ,1511 #s5 Por lo tanto

τ 1 /2=4.16ms,f

1 /2=240 Hz

τ 1 /5=1.66 ms,f 1/5=600 Hz

*e escoge el peor de los casos 3,511 #s: de esta for#a: sa/iendo '"e C. H 05@@ ): seo/tiene el valor de R.5

R2=5.03k Ω

*e "tilizó "n valor co#ercial de *" ! +$, )5

Para deter#inar el valor del potenció#etro se consideró el &ng"lo de disparo final de

,40?: o/teniendo "na constante de tie#po de τ 140 °=2.75 5 6e esta for#a:


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Pot = τ θd 2

2 f C 1− R

1=

2.75

2 (60) (0.33 X 10−6 )−5.03 X 103

Pot =61.36 k Ω

'iltro nubber

*e o/serva '"e en este circ"ito aparece "n seg"ndo filtro lla#ado filtro *n"//er: el c"ales i#ple#entado para proteger al triac al controlar la variación del volta9e respecto deltie#po 3d%dt en s"s ter#inales5

os valores de resistencia y capacitancia para este filtro dependen del tipo de cargaconectada al circ"ito: para "n #otor por lo general: seg=n los #an"ales: tienen lossig"ientes valores

R=100Ω

C =0 !1 "#

Para el desarrollo de la pr&ctica pri#ero se pro/aron los circ"itos conectando "n foco de,00J a la salida: esto con la finalidad de o/servar las diferencias en la se7al de salidac"ando conectados dos tipos de carga diferentes5


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Imagen ". &edici'n del intervalo de tiempo que e(iste entre el inicio de la se)al original y lasalida para el circuito con ángulo de disparo de *#° .

En la i#agen , se p"ede o/servar la #edición del desfasa#iento en el do#inio del tie#po'"e e8iste entre el inicio de la se7al original y la se7al de salida con el foco de ,00Jconectado5 Esta #edición sirve para calc"lar el &ng"lo de disparo del circ"ito5


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Imagen *. &edici'n del voltaje +&S en el foco de 1## para el circuito con ángulo de disparo de*#°.

En la i#agen . se p"ede o/servar la #edición del volta9e RM* en el foco de ,00J5

6esp"(s de calc"lar el volta9e RM* y el &ng"lo de disparo del pri#er caso con el fococonectado en la salida: realiza#os el #is#o procedi#iento: pero a-ora con "n &ng"lo de

disparo de ,40?


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Imagen -. &edici'n del tiempo entre el inicio de la se)al de entrada y la salida para el circuitocon ángulo de disparo de 1*#° .

En la i#agen @ se p"ede o/servar '"e el tie#po entre el inicio de la se7al de entrada y lasalida es de 154 #s: por lo tanto: el &ng"lo de disparo calc"lado f"e de ,@>5.4?: "n valor #"y cercano al calc"lado teórica#ente5


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Imagen . &edici'n del voltaje +&S en el foco de 1## para el circuito con ángulo de disparo de1*#.

Co#o se p"ede o/servar en la i#agen 4: el volta9e RM* en el foco de ,00J 3@05@ % es#"y se#e9ante al valor teórico calc"lado [email protected], %5 a pe'"e7a variación en a#/ascantidades podría de/erse a las reactancias de los co#ponentes electrónicos "tilizadosen la constr"cción del circ"ito5

as se7ales '"e o/t"vi#os en el osciloscopio para a#/os &ng"los de disparo con el focode ,00J conectado son #"y "nifor#es: sin e#/argo: c"ando conecta#os el #otor a lasalida: las se7ales no presentaron la #is#a "nifor#idad5 Esto se de/e a '"e el #otor tiene #"c-as reactancias ind"ctivas5 A contin"ación: se #"estran las i#&genes de lase7al de salida con el #otor conectado5


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Imagen /. &edici'n del intervalo de tiempo que e(iste entre el inicio de la se)al original y lasalida para el circuito con ángulo de disparo de *#$, con un motor de 0 conectado como carga.


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Imagen . &edici'n del voltaje +&S en el foco de 1## para el circuito con ángulo de disparo de*#$, con un motor de 0 conectado como salida.

En las i#&genes y 1 se p"eden o/servar la #edición del retardo en el do#inio deltie#po entre la entrada y la salida y la #edición del volta9e RM* en la carga:respectiva#ente: para el #is#o circ"ito: pero con "n #otor de CA conectado co#o carga5

Para las #ediciones del circ"ito con &ng"lo de disparo de ,40? con el #otor de CAconectado co#o carga se o/t"vieron los #is#os res"ltados '"e en las #edicionesrealizadas con el foco de ,00J: pero al ig"al '"e en el caso de 40? la se7al de salida nopresento tanta "nifor#idad de/ido a las reactancias ind"ctivas del #otor5

*esultados . an/lisis de resultados

*e realizaron las pr"e/as e8peri#entales variando el &ng"lo de disparo tanto para el fococo#o para el #otor de corriente alterna5 *e registraron los valores del volta9e eficaz: elvolta9e pro#edio de/e ser cero: dependiendo del &ng"lo de disparo coloc&ndolo en el#íni#o y en el #&8i#o valor5


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Esto: 9"nto con lo calc"lado teórica#ente: se presenta en la sig"iente ta/la5 *e consideranlas #ediciones con el foco ya '"e con el #otor se presentan defor#aciones en la for#ade ondaB sin e#/argo losres"ltados son #"y si#ilares5

Para los c&lc"los

teóricos se e#pleó lasig"iente ec"ación

V rms,R$=V rms,l í nea√1−θd

% +

sin (2θd)

2 %

*e o/serva '"e el intervalo de disparo es #"y apro8i#ado al planteado inicial#ente: y'"e los valores teóricos en co#paración con los #edidos e8peri#ental#ente son ta#/i(n#"y cercanos5

*e aprecia: evidente#ente: '"e con "n &ng"lo de disparo pe'"e7o se le est&s"#inistrando a la carga #ayor potencia y: an&loga#ente: con "n &ng"lo de disparo

grande la corriente pro#edio en la carga es #enor: esto se p"do apreciar en la pr&cticapor las variaciones de intensidad de l"z en el foco y por los ca#/ios en la velocidad degiro en el #otor5

Conclusiones

3abla 1. +esultados.

Medición 1 Medición 2

4ngulo de disparo

ɵd = 43.2° ɵd = 138.24°

∆t = 2 ms ∆t = 6.4 ms

V rms V rms

3e'rico &edido 3e'rico &edido

115.02 V 115 V 32.61 V 30.3 V


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15/15

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