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GENERACIN DE ALTA TENSIN DE
CORRIENTE DIRECTA
Presentado por:
Juan David Martinez Molina
Presentado a:
Ing. OMAR TRUJILLO
ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERA JULIO GARAVITO ALTA TENSIN BOGOT
D.C.
2015
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ALTA TENSIN
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Generacin de alta tensin de corriente directa
JUAN DAVID MARTINEZ MOLINA
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TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIN
..............................................................................................
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2. DESARROLLLO DE CONTENIDO
...................................................................
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3. CONCLUSIONES
...........................................................................................
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ALTA TENSIN
TRABAJO 1
Generacin de alta tensin de corriente directa
JUAN DAVID MARTINEZ MOLINA
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1. INTRODUCCIN
La ingeniera elctrica siempre ha requerido las generaciones de
altas tensiones ya sea en corriente alterna o corriente directa
para diversas aplicaciones. Desde luego en el medio de las
sociedades actuales la distribucin de la energa consumida es de
corriente alterna transmitida en grandes cantidades por las
necesidades de los usuarios de una ciudad o pas segn sea el caso.
Adicionalmente grandes tensiones de corriente directa tambin son
requeridas; ejemplo del uso de microscopios, sistema de rayos X,
precipitadores electrostticos y aceleradores de partculas son
algunas de las aplicaciones donde se necesitan grandes valores de
tensiones de corriente directa.
Para los ingenieros electricistas, las altas tensiones son
fundamentales al momento de probar reaccin de materiales sometidos
a altas tensiones, simular descargas atmosfricas para la creacin de
mejores sistemas de proteccin y desde luego el desarrollo de
mejores tecnologas de aislamiento para los sistemas de potencia
La generacin de alta tensin de corriente directa es el estudio
fundamental de este documento entregando informacin necesaria sobre
este tema haciendo una revisin general de los mtodos de generacin,
entregando conclusiones y de la explicacin del contenido.
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Generacin de alta tensin de corriente directa
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2. ALTA TENSIN DE CORRIENTE DIRECTA
2.1.1 Rectificadores de media y onda completa
En general la generacin de alta tensin de corriente alterna es
usada para la investigacin, siendo requeridos para pruebas de
aislamiento para conductores y condensadores, unidades de carga
tipo impulso requieren voltajes de 100kV o 200kV.
El mtodo clsico para lograr grandes valores de tensin de
corriente alterna son los rectificadores, los cuales a partir de
fuentes de corriente alterna producen corriente directa y estn
clasificados en tres grupos: rectificadores de media onda,
rectificadores de onda completa o dobladores de tensin tipo
rectificador.
Los rectificadores son de dos tipos: tubos de electrones o
dispositivos de estado slido; la gran diferencia de estos radica en
el valor del pico de tensin inversa que pueden soportar (a
rectificar) sin que ocurra una ruptura en el dispositivo 250kV para
los de tubos de electrones y 20kV para los semiconductores de
estado slido. Si se desea para mayores valores de tensin se deben
usar conexiones en serie con el fin de crear una cadena de
semiconductores la cual puede estar sometida a valores de tensin
mayores a los anteriormente mencionados teniendo en cuenta el hecho
de que despus de cierto nmero de unidades usadas la distribucin de
tensin deja de ser uniforme y es necesario analizar con precaucin
este fenmeno y poder normalizar dicha distribucin.
Rectificador de Media Onda
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Nuestro sistema empieza con el transformador de alta tensin: el
cual tiene como objetivo elevar la tensin a un valor mayor que el
valor de entrada segn sea el caso. Sin importar si el rectificador
es de media onda u onda completa el transformador es fundamental
para lograr los valores mximos de voltaje deseados. Posteriormente
usamos diodos semiconductores que dependiendo de su conexin
permitirn el paso de una seal de tensin en un solo sentido puesto
que nuestra seal alterna la direccin de flujo de corriente
dependiendo del parmetro del tiempo
Mediante el uso de un diodo solo permitimos el paso de un solo
ciclo de la seal (positivo o negativo) el cual usamos para cargar
hasta el Vmax valor pico de voltaje un capacitor sometido a una
sola polaridad de tensin. Entonces en el otro ciclo el cual la
tensin no puede pasar a los terminales del capacitor este queda
cargado y es conectado en paralelo a una carga con el objetivo de
lograr la descarga de la tensin almacenada por el capacitor.
El valor de la capacitancia est directamente ligado a la
constante de tiempo CR la cual debe ser por lo menos 10 veces el
periodo de la onda de seal de corriente alterna entregada por el
transformador de alta tensin.
El rectificador debe tener por lo menos un valor de pico inverso
de por lo menos 2Vmax asegurando que este no entre en ruptura y
para limitar la corriente que pasa por este dispositivo evitando
que se dae por el flujo de corriente interno se suele poner en
serie con el rectificador una resistencia de potencia limitando el
paso de corriente por toda esa lnea del circuito.
Rectificador de Onda Completa
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Ahora analicemos la segunda opcin de sistemas de rectificacin
donde el ciclo positivo el rectificador A conduce la corriente y
permite la carga del condensador, pero adicionalmente en el ciclo
positivo el rectificador B conduce corriente y permite la carga del
capacitor de la misma forma que el ciclo anterior disminuyendo el
tiempo en el que se cargaba el condensador en comparacin con el
sistema de rectificacin de media onda basta solo con aadir un tap
al transformador con un valor de 2V para poder conectar el terminal
negativo del capacitor aun valor de tensin menor del terminal
positivo manteniendo la polarizacin adecuada para el mismo.
Si hacemos el estudio de estos dos sistemas migrados para alta
tensin de un valor cercano a los 50kV debemos tener en cuenta
ciertas condiciones como el hecho de que los rectificadores usados
deben tener una construccin especial, donde el nodo y el ctodo
deben estar recubiertos por un blindaje protector y el nodo tendr
una construccin usualmente de plato circular. Todo esto debido el
cambio del campo electrosttico al cual estn expuestos debido al
nivel de tensin durante cierto tiempo, por lo cual el rectificador
est inmerso a fuerzas electrostticas considerables durante los
periodos de no conduccin por polarizacin inversa. Por lo cual es
necesario proteger estos elementos mediante la fijacin rgida del
nodo en un costado del rectificador y el ctodo junto con el
filamento conductor estn localizados al otro costado del
rectificador donde las mallas de acero o una malla apropiada
anteriormente mencionadas mantienen envuelto los terminales
protegindolos de tal forma que al ser sometidos a estas fuerzas
mecnicas entre el nodo y el ctodo son absorbidas por esta malla en
su totalidad.
Los laboratorios de alta tensin modernos poseen unos
rectificadores especficos con el fin de ser usados para la
produccin de tensiones de corriente directa, ya que los diodos
semiconductores poseen un pequeo nivel de conduccin de direccin
inversa. Los diodos ms cmodos usados para la rectificacin de alta
tensin poseen un voltaje de pico inverso (PIV en ingls) de 1kC o
2Kv experimentando corriente pequeas de mA y tambin tenemos los que
poseen el material selenio dotndolos de PIV de hasta 500kV los
cuales pueden ser usados sin la necesidad de usar ningn tipo de
capacitor.
En sntesis los dos tipos de rectificacin pueden producir alta
tensin de corriente alterna siempre por debajo del valor mximo de
la onda de corriente alterna, basta con tener en cuenta las
condiciones de los materiales y los dispositivos al momento de
hablar de alta tensin, ya que pueden cambiar con los conceptos
previamente adquiridos a bajas tensiones o tensiones comunes en
experimentos, laboratorios y cursos previos a los de estudio de
altas tensiones.
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2.1.2 Riple o rizado de voltaje con rectificadores de media y
onda completa
Ya analizamos el tratamiento que los rectificadores y la
modificacin que estos dan a las seales de corriente alterna,
analicemos ahora el capacitor el cual se carga y descarga debido a
la naturaleza de las seales a la cual est inmersa y a la carga que
es conectada en paralelo con el mismo. Estos tiempos de carga y
descarga suavizan las variaciones de voltaje creados por los
rectificadores los cuales son denominados rizados o riples V de
carga y descarga que desde luego deben ser controlados
mantenindolos en unos lmites razonables mediante el uso de
filtros.
Es importante tener en cuenta que cuando el condensador el
voltaje que este va tener no ser igual al valor mximo de la fuente
de corriente alterna, pero cuando una carga es conectada a este
condensador esta descarga el condensador la forma de onda cambiara
desde su valor pico hasta cero, situacin que puede cambiar
dependiendo del tipo de rectificador usado donde notaremos que el V
es mayor para un rectificador de media onda que la de un
rectificador de onda completa, debido a que el periodo de descarga
en el caso de rectificacin de media onda es mas grande:
La grafica a hace referencia a la seal de tensin sinusoidal
entregada por el transformador
La grafica b muestra una primera seal debida a la rectificacin
de media onda y una seal pequea V (riple)
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La grafica c muestra una seal rectificada con onda completa y de
nuevo V (riple)
La grafica d muestra la seal con su tensin media, V (riple) y su
valor mximo
Podemos concluir entonces que en a) el V depende de la
frecuencia de la tensin de alimentacin en b) V depende de la
constante de tiempo CRL y en c) de la reactancia XL del
transformador de forma general la frecuencia se duplica en los
rectificadores de onda completa y el V se debe mantener lo ms bajo
posible por medio de un condensador adecuado para filtrar dicha
seal y una reactancia del trasformador para una determinada RL.
2.1.3 Circuitos dobladores de tensin
Una vez entendido la forma bsica de generacin de alta tensin en
corriente directa por medio de rectificador de media onda como de
onda completa, es importante tener en cuenta que ninguna de estas
configuraciones podr llegar al valor mximo disponible entregado por
la seal de corriente alterna; si se desean mayores valores se
procede a usar un sistema doblador de tensin o sistemas de
rectificacin son puestos en cascada logrando mayores niveles de
tensin.
El circuito doblador de tensin hace dos tratamientos distintos a
la seal: el primero es un cambiador de nivel y el segundo es la
rectificacin que explicamos ya con anterioridad:
Cambiador de nivel
Es una configuracin la cual permite que la seal alterna de
entrada suba o baje a partir de la referencia cero
Cuando el voltaje est en el primer ciclo (positivo) el diodo
esta polarizado en inverso y el circuito es el condensador con la
carga (dado el caso que esta exista), en el ciclo negativo de la
fuente el diodo esta polarizado en directo y la corriente fluir por
dicho componente cargando el condensador
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Con la polaridad marcada en la imagen, luego podemos analizar el
resultado de la seal final que entrega este circuito; donde el
primer ciclo vuelve a suceder el condensador est cargado debido al
ciclo anterior el voltaje que ve la carga vera entonces la suma de
voltajes: condensador ms la fuente, donde el condensador estar
cargado de manera constante a un valor de vp, y la seal de la
fuente es la misma seal sinusoidal del principio:
Para el ciclo negativo hay un cambio de polaridad de la seal
sinusoidal y tenemos esta vez una resta de los dos valores de
tensin lo cual muestra el desplazamiento de la seal de la fuente
una vez ms subiendo el valor de origen donde esta se origina
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Entonces la seal final de salida para la carga o en este caso
para el segundo tratamiento vendra de esta forma:
El segundo tratamiento es una rectificacin con condensador de
filtrado pero esta vez el rectificador rectificara una seal de 2V y
no de V como pasara en un rectificador sin tratamiento previo de
cambiador de nivel, y luego el condensador reducir el rizado de
dicho rectificador con su proceso de carga y descarga la figura que
muestra el circuito final de estas dos configuraciones se muestra a
continuacin:
Donde C1 y R1 conforman el circuito de cambio de nivel y el
circuito de rectificacin conformado por R2 C2 y Rl el cual vera el
doble del voltaje como se explic anteriormente.
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El anterior circuito entonces doblara la tensin que llega a la
carga a partir de la tensin de entrada, sin embargo la siguiente
configuracin obtiene una salida de 4V y no es otra cosa que la
conexin en cascada de dos circuitos dobladores cada uno aportando
2V a la carga para aumentar el voltaje final visto por ella como lo
muestra el esquema:
El primer sistema doblador posee los componentes: R1,R2,T1,C1 y
C2.
El segundo sistema doblador posee los componentes: R3,R4,C4,C5 y
T2
Agregamos un trasformador de aislamiento T para el siguiente
doblador para que no tenga como referencia la tierra si no que su
sistema de referencia sea el primer nivel de tensin entregado 2V y
la salida. La distribucin de energa es uniforme, ya que los 4
condensadores usados en la configuracin deben tener igual
valor.
Esta configuracin puede ser usada de igual manera para un
voltaje de salida para carga de 6V, 8V y as sucesivamente basta
solo con agregar transformadores de aislamiento por cada etapa
nueva a adicionar teniendo en cuenta que el nivel de aislamiento
deber ser mayor dependiendo de la etapa en la que se encuentre.
La siguiente grafica muestra las formas de onda que se obtienen
del circuito en cascada:
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1) Seal de tension de entrada 2) Seal de salida sin filtro por
condensador 3) Seal de salida con filtro por condensador
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3. CONCLUSIONES
El uso de procesos de rectificacin para la generacin de altas
tensiones de corriente directa es bastante recomendable por los
niveles de energa que se pueden alcanzar a partir de fuentes de
corriente alterna usando los transformadores adecuados segn sean
los diseos y las tensiones que se desean obtener con fines
investigativos o aplicativos de manera rpida y eficaz.
Los condensadores filtran las seales entregando niveles de
corriente directa mucho ms aproximados, no solo basta con usar
rectificadores de seal para garantizar sistemas de corriente
directa con buena calidad de seal.
En la alta tensin se deben tener en cuenta los niveles de
aislamiento requeridos por los niveles de tensin de trabajo, esto
modificara en gran medida la construccin y diseo de los
dispositivos usados para la generacin de altas tensiones de
corriente directa, alejndose un poco de las construcciones
acostumbradas a estudiar en sistemas de baja tensin.
En todos los circuitos doblador de tensin, si se utilizan las
vlvulas, los transformadores de filamento tienen que ser diseados y
aislados adecuadamente, ya que todos los ctodos no estarn al mismo
potencial de tierra. La disposicin se vuelve muy complicada si se
desea obtener a la salida una tensin mayor de 4V para voltajes de
trabajo o de carga.
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4. BIBLIOGRAFIA
M S Naidu - V Kamaraju, McGraw-Hil, Second Edition.HIGH VOLTAGE
ENGINEERING Circuito cambiador de nivel
https://www.youtube.com/watch?v=nZFNGEQZ77o
PRACTICA 2 y 3: GENERACIN y MEDICIONES DE ALTAS TENSIONES AC Y
DC Luis E. Ardila Diego M. Caldern Jos F. Lozano
