• Author / Uploaded
• fherrera_80972

• Categories
• Energia electrica
• Microcontrolador
• Electrónica
• Rectificador
• Corriente eléctrica

Citation preview

1

Readecuación de conversor AC-AC de laboratorio de Electrónica de Potencia Francisco Ramiro Ulloa Herrera, Email: [email protected]; Mario Andrés Cartagena Cartuche, Email: [email protected]; Carlos Daniel Toapanta Duque, Email: [email protected]

Abstract—El conversor AC-AC tiene varios tipos de control respecto a la onda de entrada. Se le puede conectar cualquier carga viéndose en esta la salida final y comportamiento del circuito. Los elementos utilizados soportan la corrientes y potencias elevadas; la más significtiva actualización del proyecto se dio en el microcontrolador al existir hoy en día más tecnologías y ser capaces de realizar operaciones nuevas, timer, conversor A/D, interrupciones. Index Terms—conversor AC-AC, electrónica, microprocesador

I. I NTRODUCCIÓN Este trabajo se realizó con la finalidad de cumplir con un trabajo académico y así fortalecer los conocimiento adquiridos en la asignatura de electrónica de potencia. Además es una forma dinámica de adquirir nuevas capacidades prácticas en circuitos electrónicos y los errores que dan regularmente al poner en práctica cada uno de los dispositivos utilizados. II. O BJETIVOS • •

• •

Entendimiento del circuito realizado en el laboratorio, para su readecuación con elementos actualizados. Adecuación del circuito de control, el cuál se encuentra realizado en un microprocesador, para realizar control de fase directo, control de fase inverso, control de fase simétrico, chopper y control por ciclo integral. Simulación con elementos actuales del circuito del tablero general. Posteriormente el circuito se implementará en baquelita para poder instalarlo a la máquina. III. C ONVERSOR AC-AC

Este tipo de conversor está diseñado para controlar la potencia que se entrega hacia la carga, variando el voltaje AC RMS, sin modificar el flujo de energía.

A. Diagrama unifilar del circuito del conversor AC-AC A continuación se indica en detalle el diagrama unifilar del conversor AC-AC (figura 1). A continuación se detallará las funciones principales de la máquina. Centrándonos principalmente en la parte de control y el circuito de descarga. En la parte de control analizaremos:

Fig. 1. unifilar

Diagrama

1) Control fase directo: Se efectúa dentro de cada semiciclo, dejando pasar parte del mismo, tanto en ciclo positivo como en negativo. Los tiristores no necesitan un bloqueo forzado por el paso natural por cero. Esto ocurre cuando se activa desde un ángulo Alpha y se desconecta al final del semiciclo. Estos circuitos son simples. Se lo realiza con conmutación simple (figura 2).

Fig. 2.

fase directo

2) Control fase inversa: Se efectúa dentro de cada semiciclo, dejando pasar parte del mismo, tanto en ciclo positivo como en negativo. Esto ocurre cuando se activa desde cero y se desconecta en un ángulo Betta, esto se consigue con conmutación forzada (figura 3). 3) Control de fase simétrico: Siendo la combinación de los anteriores circuitos este se activa en un ángulo Alpha y se desactiva en un ángulo Betta, por conmutación forzada (figura 4). 4) Control de fase Chopper: Es un interruptor electrónico que se usa para interrumpir una señal bajo el control de otra (figura 5).

2

Fig. 3.

Fig. 7.

Fase inversa

Snobbers

a un micro y regularla. Existe también una etapa de descarga, la cual es similar a la primera parte, con 4N25 y un TBJ; pero adicionalmente se debe acoplar un MOSFET al emisor del TBJ. Para el dimensionamiento de resistencias, fusibles e inductancias, se debe hacerlo en base al voltaje que puede soportar en circuito abierto y la corriente cuando el circuito se encuentre cerrado. Todo esto se lo debe realizar en base a la carga que se ponga al sistema. Fig. 4.

fase simétrico

5) Control de fase por ciclo integral: Se caracteriza por dejar pasar hacia la carga un número entero de ciclos completos y bloqueando un número n de ciclos (figura 6). Para la segunda parte que es un circuito de acoplamiento, el cual está presente para reducir en el dispositivo semiconductor el estrés eléctrico durante las conmutaciones y asegurar un régimen de trabajo seguro, conocidos como snubbers (figura 7). Disponemos de 3 tipos de snubbers: • Snubber de encendido • Snubber de apagado • Snubber de sobrevoltaje Los tres circuitos nombrados anteriormente trabajan tomando en cuenta las zonas de corte y saturación que poseen los transistores. La primera parte esta conformada por un 4N25 y un TBJ el cual analiza el voltaje colector emisor para enviarla

IV. C AMBIOS REALIZADOS EN EL CIRCUITO Respecto al diseño original se realizaron variaciones puesto que en la actualidad se dispone de microcontrolador más poderoso que permite realizar mayores funciones, esto es de ayuda ya que permite suprimir el uso de varios elementos. A continuación se detalla las partes no utilzadas: • El medidor de sobrecorriente no se utilizó puesto que el nuevo diseño no necesita de este dispositivo. • Snubbers debido a que no existe un retardo de la señal de control principal en ellos y se necesitan de Smith triggers y no se disponen de estos. V. P ROGRAMA IMPLEMENTADO EN MICROCONTROLADOR Se utilizó dos microcontroladores el ATMEGA 8 y ATMEGA164P, el primero es controla el modo de encender los leds y acoplamiento del selector de 5 posiciones para los diversos modos que se dispone; su programaciónse implemento en C. El ATMEGA164P (figura 8), en el se encuentra el programa principal de cada modo que se elija utilizando las partes de conversión análogo/digital, interrupciones, timers 0, timer1, timer2; su programación se realizó en Assembler por medio del software Atmel Studio. Fig. 8.

Fig. 5.

Fig. 6. tegral

Chopper

Ciclo in-

atmega164p

3

VI. P LACA DE CONTROL Y POTENCIA A. Cálculos de dimesionamiento Para carga R: • Voltaje Rms R 2π 2 1 2 dφ URM S = 2π 0 R u √ R 2π √ π 1 2 URM S = 2π [ α 2U sin(φ))2 dφ + π+α 2U sin(φ))2 dφ] R 2π 2 Rπ 2U 2 URM S = 2π2 [ α (1 − cos(2φ)dφ + α+π (1 − cos(2φ)dφ U2 2 π 2π URM S = 2π [(φ − 0.5sin(2φ)bα +(φ − 0.5sin(2φ)bα+π U2 2 URM S = 2π [π − α − 0.5(sin(2π) − sin(2α)) + 2π − α − 0.5(sin(4π) − sin(π + α))] U2 2 URM (2π − 2α + sin(2α)) S = 2πq URM S = U π1 (π − α + 0.5sin(2α)) -Para 30 grados: Urms = 108.4[V ] -Para 120 grados. Urms = 48.64[V ] • Corriente Rms -Para 30 grados: Irms = Urms R = 1.08[A] -Para 120 grados: Irms = 0.5[A] • Potencia activa U2 P = rms R P = Urms Irms P = Urms U rms R Reemplazando en las fórmulas valores críticos un mínimo de 30 grados y máximo de 120 grados los valores de potencia de potencia son: • Para 30 grados P=117.5[W] • Para 120 grados P=23.65[W] Por ello se a escogido el IRF840 B. Placa de control (figura 9) Se va a describir la función de los elementos que se han implementado: • Autocopladores 4n25 Sirven para acoplamiento de las secciones de control y potencia. • Fusible Protección para evitar cortocircuitos y daño general del conversor AC-AC. • Puente de diodos Para rectificar la señal y realizar detección de cruces por cero en el programa. • Potenciometros Existen dos, uno funciona para variar la intensidad del LCD y, el otro variación del ciclo de trabajo en el control con lo cuál se puede observar los cambios a la salida. • Borneras Sirven para fácil introducción de los cables de fuentes y salidas del micro.

• Resistencias Utilizadas para salidas del microcontrolador hacia los LEDs para que su durabilidad sea alta, también por cuestiones de diseño junto con otros elementos.

Fig. 9.

Placa de control C. Placa de potencia (figura 10) • IRF 840 Sirven para control directo, simétrico, Chopper, inverso y control por fase integral. Es uno de los principales dispositivos electrónicos de la placa, dada su importancia se pone a disposición sus características para saber potencias, corriente y voltajes que soporta en tabla 1.

Tabla 1. • Puente de diodos Rectificación de la señal

VII. S ISTEMAS AUXILIARES Para el correcto funcionamiento del conversor se hizo uso de algunos elementos adicionales al circuito principal de control y potencia, entre ellos tenemos. A. Ventilación Su necesidad se da por cuestiones de incremento en temperatura pues se trabajan con corriente un tanto elevadas, a eso se incrementa que todas las piezas utilizadas tanto en control como potencia tienden a calentarse, por ello el uso de resistencias de potencia y disipadores en los mosfet. Utilizamos el ventilador SP101 (ver figura 11), con características: Vin=115 [V] P=18 [W] rpm=2900

4

Fig. 10.

Placa de potencia Fig. 12.

Transformador

Fig. 11.

Fig. 13.

SP101 Ventilador

Fuente DC

B. Transformadores y fuente DC Los transforamdores (figura 12) son utilizados para reducir el voltaje de entrada su diferencia de potencial de salida permite alimentar las fuentes DC (figura 13), que ya se disponia en el proyecto original, son implementadas para alimentación de circuito de control con sus 15 y 5 voltios de corriente continua.

•

•

DC antes el proyecto hacía uso de 6 fuentes DC con lo que se mejora el consumo de potencia por parte de la máquina. Que, con la tecnología se dispone en la actualidad se pudo implementar cinco controles a diferencia de los tres anteriores que son fase directo, inverso, simétrico, chopper y ciclo integral. Que, las posibilidades de implementación de circuitos son

C. Botón Paro de Emergencia Este elemento permite cortar de forma rápida la alimentación hacia el conversos AC-AC en caso de incendio, explosión y cualquier otro evento que requiera de atención detención de la máquina. Ver figura 13. VIII. C ONCLUSIONES •

Que, mediante la utilización de un microcontrolador en nuestro caso ATMEGA164P y ATMEGA 8 se logro el ahorro de varios componentes como 3 potenciómetros, fuentes DC; los cuales se utilizaban anteriormente para variar el ciclo de trabajo (ahora se necesita solo 1 potenciómetro), por otra parte solo se necesitaron 2 fuentes

Fig. 14. de emergencia

Paro

5

•

•

cuasi infinitas en un controlador Atmega164p por sus capacidades de timers, interrupciones y conversor A/D; basta disponer de buena configuración del programa. Que, el dimensionamiento para los elementos de potencia se tomo valores críticos de ángulo de disparo con lo que se hizo la selección de un mosfet que cumpla con las especificaciones requeridas. Que, para la protección del sistema de control es necesario el uso de autocopladores.

[12] Biblat - Revista: Revista telegráfica electrónica - Artículo: Control de fase directo e inverso con vmos. (s.˘af.). Recuperado 31 de julio de 2015, a partir de http://biblat.unam.mx/es/revista/revistatelegrafica-electronica/articulo/control-de-fasedirecto-e-inverso-con-vmos

IX. R EFERENCIAS [1] RACINES V. JOHNNY F. (1995) QUITO ECUADOR EPN. TESIS DE GRADO.Diseño y Francisco Ulloa , nació en el cantón Antonio Ante de la provincia de Imbabura. Hijo de Francisco Ulloa construcción de un módulo didáctico para el estudio y Raquel Herrera. Su inicio académico se dió en la del control de fase AC Directo, Inverso y Simétricof ciudad de Latacunga durante un año, su continuación [2] CBOS. DE COM. JAMI ALOMOTO SEfue en Manta ciudad en la que tendría residencia por 10 años donde desarrolle habilidades musicales GUNDO ELÍAS. CBOS. DE COM. RIVERA ALbásicas en un conservatorio junto con logros deVARADO JUAN CARLOS (2009) LATACUNGA portivos a nivel provincial mientras cursaba estudio ECUADOR ESPE. Actualización de los módulos en Unidad Eduactiva Manabí, posteriormente regresaría a segundo año de bachillerato en Latacunga de control de conversores estáticos de energía ACgraduándome como físico-matemático en Unidad AC, mediante una pc: control de fase diferencial, Educativa Hermano Miguel. La carrera universitaria opte por la Escuela troceador AC y control de fase directo Politécnica Nacional entidad de educación superior en la que curso el sexto semestre de ingeniería en electrónica y control. [3] IRF-840—91070.pdf. (s.˘af.). Recuperado 31 de julio de 2015, a partir de http://www.vishay.com/docs/91070/91070.pdf [4] Convertidores AC/AC - Monografias.com. (s.˘af.). Recuperado 31 de julio de 2015, a partir de http://www.monografias.com/trabajos104/convertidoresac-ac/convertidores-ac-ac.shtml [5] Convertidor Ac Ac. (s.˘af.). Recuperado 31 de julio de 2015, a partir de Andrés Cartagena , nació en Quito provincia de Pichincha. Su bachillerato lo curso en Colegio Exhttp://es.scribd.com/doc/108597999/Convertidorperimental Juan Pio Montufar especialidad físico Ac-Ac#scribd matemático. Hijo de Mario Cartagena y madre Cár[6] Tema 4. Conversión CA/CA. Reguladores men Cartuche. Actualmente se encuentra realizando sus estudios superiores en Escuela Politécnica Nade corriente alterna MC-F-004.pdf. cional en la carrera de Electrónica y Control sexto (s.˘af.). Recuperado 31 de julio de 2015, semestre. a partir de http://ocw.uc3m.es/tecnologiaelectronica/electronica-de-potencia/material-declase-1/MC-F-004.pdf [7] Chopper por fase y por inhibición, Plotter Router Fresadora CNC, alciro - Projects, alciro.org. (s.˘af.). Recuperado 31 de julio de 2015, a partir de http://www.alciro.org/alciro/Plotter-RouterFresadora-CNC_1/chopper-fase-inhibicion-motorpaso-a-paso_436.htm Carlos Toapanta , nació en Quito provincia de [8] ATmega164P. (s.˘af.). Recuperado Pichincha. Su bachillerato lo curso en Instituto Tec31 de julio de 2015, a partir de nológico Superior Central Técnico. Hijo de Juan http://www.atmel.com/devices/ATMEGA164P.aspx Carlos Toapanta y Cathalina Duque. Actualmente se encuentra realizando sus estudios superiores en [9] Chopper_Laminas.pdf. (s.˘af.). RecuEscuela Politécnica Nacional en la carrera de Elecperado 31 de julio de 2015, a partir de trónica y Control sexto semestre. http://prof.usb.ve/bueno/Controladores/Chopper_Laminas.pdf [10] Explicación Control de fase directo. (s.˘af.). Recuperado 31 de julio de 2015, a partir de http://es.scribd.com/doc/217663073/ExplicacionControl-de-fase-directo#scribd [11] Dispositivos electrónicos de potencia. (2002). UABC.