UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD DE DE LAS L AS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN EXTENSIÓN LATACUNGA DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO CARRERA
CÓDIGO DE LA ASIGNATURA ASIGNA TURA
NOMBRE DE LA ASIGNATURA
Ingeniería Electrónica e Instrumentación
2177 2177
Control Electró Electró nico de Potencia
PRÁCTICA N°
LABORATO LAB ORATORIO RIO DE:
Laboratorio Laboratorio de Electrónica Electrónica
DURACI ÓN (HORAS)
TEMA:
Implementación de un conversor AC/AC de fase directo para controlar la variación de potencia en diferentes tipos de cargas.
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1 1
OBJETIVO
GENERAL Implementar un conversor AC/ AC de fase directo, mediante la utilización de un microcontrolador, para controlar la variación de potencia en diferentes tipos de cargas. ESPECÍFICOS Investigar el principio de funcionamiento del conversores AC/AC de fase directica con carga resistiva e inductiva. Implementar el circuito diseñado para controlar la variación de potencia en distintas cargas. Interpretar las formas de onda obtenidas en la simulación y la práctica. 2
INSTRUCCIONES A. EQUIPO Y MATERIAL ES NECESARIOS
EQUIPOS: Osciloscopio Agilent msox3054a Osciloscopio MATERIALES: 1 Arduino uno 1 Lcd 16 X2. Transformador de 110v/12v. 2 Transformadores de pulso. 2 SCR’s TIC106D. 1 Opto transistor 4N25. Resistencias Resistencias y potenciómetros. Alimentación Alimentación 110 1 foco. 1 motor dc. 1 protoboard Cables de conexión. Computador personal.
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RESUMEN.
En este trabajo se realiza la implementación de un control de fase directa AC/AC, este consta de cuatro etapas que son: Etapa de sincronización, basada en un circuito detector de cruce por cero que permite, la sincronización del circuito de control con el de potencia, la etapa de control esta permite entregar un pulsos de corriente de tiempo limitado para la activación de los tiristores, mediante la sincronización del cruce por cero, la etapa de desacoplamiento, protege el circuito de control en caso de alguna falla en la etapa de potencia permitiendo controlar el voltaje de la red que se entregara la carga. Posteriormente se realizaran las pruebas pertinentes con diversas cargas, para analizar los resultados. 4
ABSTRACT
In this paper the implementation of a control direct phase AC / AC is performed, this consists of four stages: Stage synchronization based on a crossing detector circuit zero which allows the synchronization control circuit with that of power control stage this can deliver current pulses limited time for activation of the thyristors, by synchronizing the zero crossing, the step of decoupling, protects the control circuit in the event of a failure at the stage of allowing power control voltage network load surrender. Subsequently the relevant tests carried out with various loads, to analyze the results. 5
MARCO TEÓRICO.
CONVERSORES AC/AC Es un convertidor que controla la tensión, la corriente y la potencia media que entrega una fuente de alterna a una carga de alterna, siempre manteniendo sus niveles de energía siempre a un margen de eficiencia [1]. Funcionamiento:
Interruptores electrónicos conectan y desconectan la fuente a intervalos regulares. Esta conmutación se produce mediante un esquema denominado control de fase que tiene como efecto eliminar parte de la forma de onda de la fuente antes de alcanzar la carga En aplicaciones de baja potencia y para cargas puramente resistivas se puede hacer uso de TRIAC’s, en cuanto que para altas potencias con cargas resistivas o resistivas inductivas se utilizan 2 SCR’s en anti paralelo como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Control de tensión alterna monofásico con la utilización de TRIAC y SCR’s
Inconvenientes de estos convertido res.
Al igual que los rectificadores; presentan problemas con las corrientes armónicas que se produce por la distorsión de la onda senoidal en la carga. Para la transferencia de potencia, normalmente los tiristores son controlados de dos formas, las cuales se especifican a continuación:
CONTROL DE FASE DIRECTO. Para implementar el control de fase directo se puede hacer uso de un TRIAC en aplicaciones de baja potencia, en cuanto que para potencias más elevadas se utilizan dos SCR´s en anti paralelo. Para las dos aplicaciones el flujo de potencia hacia la carga es controlado variando el ángulo de disparo , entre 0 y 180º.
Figura 2. (a) Control de t ensión alterna monofásico con carga resistiva. (b) Forma de onda
En la Figura 2 se observa que el tiristor conduce si se aplica una señal de puerta en el semiciclo positivo de la fuente. Conduce hasta que la corriente que lo atraviesa se
hace nula, como sucede en el caso del SCR en el rectificador de media onda. Al aplicar una señal de puerta a en el semiciclo negativo de la fuente, se proporciona un
camino para la corriente de carga negativa. Si la señal de puerta de está en retrasada medio periodo respecto de , el análisis en el semiciclo negativo será idéntico al del semiciclo positivo, pero el signo algebraico de la tensión y de la corriente será opuesto.
Uno de los métodos más comunes para variar el valor eficaz de una tensión alterna es por medio del llamado control por ángulo de fase, en el cual, dado un semiciclo de la red, el interruptor se acciona o dispara en un determinado ángulo, haciendo que la carga esté conectada a la entrada por un intervalo de tiempo menor o igual a un semiciclo. Para el caso de una carga resistiva, el ángulo de disparo puede valer entre 0º y 180º.
Carga induct iva En el caso de que la carga sea inductiva, el ángulo de control queda limitado por el argumento de la impedancia de carga. Suponiendo una carga genérica tipo RL (resistiva-inductiva) se tiene:
tan− 1
Con lo que el ángulo de disparo para poder regular la potencia de la carga puede variar entre: . En el caso de una carga puramente inductiva, el ángulo de disparo puede valer entre 90º y 180º para poder regular la tensión. La figura 4 muestra la topología y las formas de ondas típicas en un regulador de alterna con control por ángulo de fase y con una carga puramente inductiva, esta configuración es típica de una reactancia controlada por tiristores.
< <
Figura 4. Comportamiento del conversor AC/AC de fase directa con carga resistiva- inductiva.
Una alternativa para garantizar una corriente bidireccional es, en vez de enviar apenas un pulso de disparo, mantener la señal de control hasta el final de cada semiciclo. Esto hace que el regulador de tensión se comporte como un cortocircuito, manteniendo una corriente CA, pero sin regulación de potencia. 6
PROCEDIMIENTO.
Dimensionamiento para carga resistiva: Carga Resistiva
si ∫ n ∫+sin = 1 sin22
Si α=0
= 1 0 sin2×0 2 =
Si α=0.63π
= 1 0.63 sin2×0.2 63 = 1 0.630.12 = 2
Cálculo para peores condiciones cuando α=0:
1 sin2 2 127 161.29Ω ≫ 100 1 2 ∫ (√ 2 sin) 2 sin2 2 161.29Ω 127 2×161.29 0 sin2×0 0.31 2 0.55 1 2 ∫ √ 2 sin √ 2 ×12729 cos1 2×161. √ 2 ×12729 cos010.35 2×161. √ 2 √ 2×127179.6
Corriente eficaz en el tiristor (
Para α=0° y R foco=
Corriente promedio de un tiristor (
Voltaje pico inverso:
Una vez calculado los valores de corriente del tiristor y el voltaje de polarización inversa, se determina que la mejor opción es el uso de un SCR C106D que soporta corrientes de hasta 4A y un voltaje de polarización inversa de 600v con lo que soporta sobradamente en el peor de los caso que es cuando tenemos un ángulo α=0, en el que funciona a la máxima potencia.
Para conocer la resistencia de la carga se toman en cuenta los datos de placa del motor.
120 10 120 10000 . 2/3 √2 ∗ ∗ 32 √2 ∗ 120 . √ 2 √ 21.127 4 4 ̂ . [] √ √ 22 √ 22 124.73 [] 88.19[] ̅ ̅ 2 ̅ 88.219 44.098 []
Para obtener el voltaje máximo que deberá soportar el SCR, se procede de la siguiente forma incrementando un factor de seguridad .
Con esta información se puede calcular la corriente máxima que soportará el SCR.
1. Primero se realizara el circuito de cruce por cero para poder sincronizar la señal de disparo en los tiristores, en este caso se implementara el circuito mostrado en la figura 6.
Figura 6. Cruce por c ero
Cálculos Calculo de la resistencia del diodo emisor de luz del op to acoplador 4N35 Corriente mínima 10mA corriente máxima hasta los 60mA.
I VRV R I 2 R 12√ 25mA Ω ≈Ω 5 500 []5 500 [] Ω
Calculo de la resistencia en el transist or
2. Realizar la programación en la tarjeta de adquisición de datos “Arduino” para poder controlar el
Angulo de disparo de los tiristores. 3. Implementar el circuito de la figura 7.
Figura 7.Configuración de entradas y salidas del Arduino
4. Realizar el desacoplamiento mostrado en la figura 8 para proteger el circuito de control en caso de una posible falla en la parte de potencia que puede ocasionar daños.
Figura 8. Desacoplamiento
5. Realizar la etapa de potencia mostrada en la figura 9, esta etapa será la que ponga en contacto la carga con el voltaje entregado por la red.
Figura 9. Etapa de potencia
6. Unir todas las etapas como se muestra en la figura 10 para tener el control de fase directo y así poder controlar la cantidad de voltaje que recibirá la carga según el Angulo de disparo de los tiristores.
Figura 10. Conversor AC/AC de fase directa
7.Observar las formas de onda de voltaje y corriente a la entrada y salida del conversor. 8.Analizar los resultados
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RESULTADOS.
Formas de onda Simuladas.
°
Carga Resistiva ( Corriente en la carga Cruce por Cero Voltaje en la carga. Señal de disparo
)
°
Carga Inducti va Corriente en la caraga Cruce por cero Voltaje en la carga. Señal de disparo
°
Carga Resistiva ( Cruce por cero Corriente en la carga Voltaje en la carga. Señal de disparo
)
°
Carga Inductiva ( Corriente en la carga Cruce por cero Voltaje en la carga. Señal de disparo
)
Formas de onda obtenidas con el oscilosco pio.
Carga resistiva
°
Corriente en la carga Voltaje en la carga
°
Corriente en la carga Voltaje en la carga.
Corriente en la carga Voltaje en la carga.
Carga resistiva
Carga resistiva Inducti va
°
Carga resistiva Induc tiva ( Corriente en la carga. Voltaje en la carga.
°
)
Carga resistiva
°
Carga resistiva Induc tiva (
°
Carga resisti va Inductiva
Corriente en la carga Voltaje en la carga
Carga resistiva Corriente en la carga Voltaje en la carga
Carga resistiva Corriente en la carga Voltaje en la carga
°
)
Voltaje en la carga. Corriente en la carga.
°
Corriente en la carga Voltaje en la carga
°
Carga resisti va Inductiva Corriente en la carga Voltaje en la carga
°
°
Carga Inducti va Corriente en la carga Voltaje en la carga.
°
Carga Induc tiva ( Voltaje en la carga.
)
Corriente en la carga.
°
Carga Induc tiva ( Voltaje en la carga. Corriente en la carga.
9
)
Análisis de resultados.
Una de las principales características de este conversor es que se tiene un control de potencia del 0 al 100% en la carga pero un gran inconveniente es la cantidad de armónicos que produce, se puede observar en las formas de onda al realizar este control en una carga puramente resistiva los tiristores se apagan obligatoriamente según en el
semi-ciclo y no son obligados a conducir en los semi-ciclos que no le corresponda a cada tiristor, en cambio al trabajar con una carga inductiva se pude ver que los tiristores son obligados a conducir en semi-ciclos que no les corresponde ya que la corriente que esta almacenada en la bobina tiene que descargarse esta es la razón por la cual se ve que cada tiristor conduce un poco más de lo que le corresponde. Como se menciono al inicio este conversor tiene una variacion de 0 al 100% como se puede observar en las graficas al estar el angulo de disparo en 180º la potencia entregada a la carga sera 0 y si se disminuye el angulo la potencia entregada a la carga aumentara. 10
CONCLUSIONES
Al utilizar una carga resistiva, en nuestro caso un foco no se observa un pico en el siguiente semi-ciclo, a diferencia de cuando la carga es RL (mayor), en el que se observa dicho pico, ya que la bobina impide el cambio brusco de corriente, lo cual obliga al SCR a conducir en el siguiente semi-ciclo por un pequeño periodo de tiempo. Al trabajar con cargas inductivas las mismas por sus características no permite el cambio brusco de corriente. El control de velocidad por medio del conversor AC/AC por control de fase directa permite regular la potencia que fluye de una fuente de voltaje AC variando el valor eficaz o RMS aplicado a la cargar sin variar su frecuencia. El control de fase directo, mediante el ángulo de disparo, permite visualizar la cantidad de voltaje que llega a la carga (resistiva para este caso) a través de la intensidad de luz que emite si el ángulo se aproxime a 180º la cantidad de luz disminuirá. Es mejor utilizar transformadores de pulsos en lugar de opto acopladores para evitar la posibilidad de disparos no deseados en las conmutaciones de los interruptores de potencia debido a que el ángulo de disparo es variable. Al tratar de medir voltaje y corriente en la carga se debe trabajar con una resistencia cerámica de alta potencia en serie.
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RECOMENDACIONES
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Aislar el circuito de control del de potencia, para mantener en una adecuada operación del microcontrolador sin ruido e interferencia y una protección contra cortocircuitos. Se recomienda, no utilizar TRIAC’s para este tipo de aplicaciones debido a que pueden conducir en dos direcciones y esto puede causar que se dispare en un ángulo no indicado y se podría perder el control de la máquina que se esté controlando. Es recomendable que los SCR’s tenga la misma se ñal pero no se debe conectar las dos Gates para evitar cortocircuitos. Si la resistencia de alta potencia se sobrecalienta demasiado es recomendable poner en paralelo otras resistencias de alta potencia.
REFERENCIAS BIBL IOGRÁFICAS Y DE LA WEB
D. W. Hart, «Conversores AC/AC,» de Electrónica de Potencia, Madrid, Prentice Hall, 2001, p. 177. [2] R. Muhammad, de Electrónica de potencia , México, editorial Pearson, 2004, p. 203. [3] «microchip.com,» [En línea]. Available: http://www.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00521c.pdf. [Último acceso: 17 Noviembre 2015]. [4] [En línea]. Available: http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/4367/1/M-ESPEL-0014.pdf. [Último acceso: 17 Noviembre 2015]. [1]
Latacunga 20 de Mayo de 2016
Elaborado por:
Aprobado por:
Andres Cardenas Alexander Pogo Alex Topa
Ing. Franklin Silva
Estudiantes
Docente de la asignatura
