UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO: ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CÓDIGO: SGC.DI.505 VERSIÓN: 1.0 FECHA ULTIMA REVISIÓN: 26/10/16
CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN
INFORME DE LABORATORIO CONTROL ELECTRÓNICO DE PERIODO 201710 VII NIVEL: POTENCIA LECTIVO: FRANKLIN SILVA 1604 DOCENTE: NRC: PRÁCTICA N°: 5 LABORATORIO DONDE SE DESARROLLARÁ LA CIRCUITOS ELECTRÓNICOS PRÁCTICA: Iván De La Cruz Bryan Guagchinga NOMBRES: Oscar Mayorga Wendy Parra DISEÑO E IPLEMENTACION DE UN CONVERSOR AC/DC SEMICONTROLADO DE ONDA COMPLETA TEMA DE LA PARA EL CONTROL DE POTENCIA ENTREGADA A DIFERENTES D IFERENTES TIPOS DE CARGAS (R, L, RL, RLE) PRÁCTICA:
ASIGNATURA:
INTRODUCCIÓN: A. RESUMEN En el presente trabajo se realizará el diseño e implementación de un conversor AC/DC semi controlado de onda completa para regular la potencia entregada a los diferentes tipos de cargas (Resistivo, inductivo, in ductivo, Resistivo Inductivo, y Motor DC(RLE)), el conversor consta de tres etapas: la etapa del microcontrolador la cual esta sincronizada con el cruce por cero para entregar pulsos de corriente con los cuales controlamos el ángulo de disparo del voltaje entregado a la carga, la etapa de desacoplamiento la cual protege al microcontrolador de cualquier sobretensión producido en la carga y la etapa de potencia la cual tiene dos SCR’s y dos diodoscon los cuales se regula potencia entregada a la carga, además se indican las formas de onda de voltaje y corriente en diferentes tipos de cargas, y se realizará el análisis de las mismas para obtener las conclusiones debidas. B. ABSTRACT The present work will be realized the desing and implementation of a semi s emi control converter AD/DC of full wave wav e for regulate de power give to the diferents types of loads(Resistive, inductive, inductive resistive, and motor DC), the converter have the three stages: the stage of micocontroler wich is synchronized with the zero crossing for give the current pulses with wich controler the angle of shot of voltaje give to the load, the stage of decoupling wich protect to the microcontroler of any overvoltage produced in the load and the stage of power wich have two SCR’s and two diodes with wich regule the power delivered of the load, also the waveforms are indicated of voltaje and current in the diferent types of loads, and realice the analysis of same for get the conclusions. C. MARCO TEÓRICO
COVERSORES AC/DC Un rectificador convierte la corriente alterna en corriente continua tiene como finalidad generar una onda de tensión o corriente continua pura o con un nivel determinado de corriente continua. En la práctica los rectificadores de media onda se utilizan en las aplicaciones de baja potencia debido debid o a que estos introducen sobre el sistema de alterna, corriente media con contenido diferente difere nte de cero. Esta corriente media ocasiona problemas de saturación en las máquinas eléctricas y en especial en los transformadores. Aunque sus aplicaciones son limitadas, merece la pena su estudio ya que su compresión permitirá el análisis de d e configuraciones más compleja de los puentes convertidores de electrónica de potencia.[1] potencia.[1]
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SEMICONTROLADOS 50% Diodos + 50% SCR´s 0 Vd Vdo P > 0 Opera como: Rectificador Trabaja en un cuadrante Costo: Medio
El arreglo del circuito de un semi-convertidor monofásico se ve en la figura 1, con una carga. La corriente de carga es continua. Durante el semiciclo positivo, T1 está polarizado directamente. Cuando T1 se dispara en , la carga se conecta a la alimentación de entrada a través de T1 y D2 durante el período . Durante el período , el voltaje de entrada es negativa y el diodo de libre circulación Dm tiene polarización directa, por lo que conduce para proporcionar la continuidad de corriente de la carga inductiva. La corriente de carga se transfiere de T1 y D2 a Dm, y el tiristor T1 y el diodo D2 se desactivan. Durante el semiciclo negativo del voltaje de entrada, el tiristor T2 queda con polarización directa y el disparo del tiristor T2 en invierte la polarización de Dm. El diodo Dm se desactiva y la carga se conecta a la alimentación a través de T2 y D1.[2]
α≤ ωt ≤ π
ωtαπ≤ t ≤ π+α
ωtπ+α
Figura 1 Circuito Semi-convertidor Monofásico.[2]
0≤ ωt ≤ α y π≤ t ≤ π+α
Durante los períodos no está encendido ninguno de los tiristores por lo tanto no hay alimentación de entrada. Lo que sucede es que debido a la carga altamente inductiva, en ella se almacena energía y mientras no haya alimentación esta energía es descargada por medio del Dm que presenta polarización directa durante estos períodos, esto proporciona continuidad de corriente en la carga. El voltaje promedio de salida se puede calcular con: (Aguilar. J, 2012).
y
Vcd
se puede variar desde
2Vm/π
α π
hasta 0, variando de 0 a .obteniendo las forma de ondas siguientes:
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Figura 2. Forma común de conectar un conversor AC/DC semi controlado .[3]
Figura 3. Forma inusual de conexión del conversor AC/DC semi controlado junto a sus formas de onda .[3]
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Figura 4. Formas de onda de voltaje y corriente del conversor AC/DC semi controlado en la fuente y carga .[4]
CONVERSORES AC/DC CON DIFERENTES TIPOS DE CARGA TIPOS DE CARGA: CARGAS RESISTIVAS: Son todas aquellas que consumen electricidad y por lo general producen calor y/o luz, por ejemplo: parrillas eléctricas, focos, horno eléctrico, cafetera, sandwichera. Su consumo se mide en KW/h.
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CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN HORNO DE INDUCCIÓN El Horno de inducción mostrado en la figura 5, es aquel en donde el calor es generado por calentamiento, por la inducción eléctrica de un medio conductivo (un metal) en un crisol, alrededor del cual se encuentran enrolladas bobinas magnéticas se denomina horno de inducción.
Figura 5. Horno de inducción de fusión de acero.[5]
El calor de inducción se basa en una bobina hecha con un tubo de cobre, como se muestra en la figura 6. El agua fluye a través de las bobinas que trabajan junto a los elementos de calefacción de cobre y ayudan a enfriar el horno según sea necesario. El tamaño y forma de la bobina puede ser determinada según la aplicación específica para la que se utilice el horno.
Figura 6. Partes de un horno de inducción.[5]
Funcionamiento horno de inducción Durante el funcionamiento normal de un horno de inducción se emite un zumbido, silbido o chirrido (debido a la magnetostricción), cuya frecuencia puede ser utilizada por los operarios con experiencia para saber si el horno funciona correctamente o a qué potencia lo está haciendo.
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Por medio del control de velocidad se hace funcionar el motor para proporcionarle energía mecánica al alternador de alta frecuencia. El alternador de alta frecuencia proporciona la energía alterna utilizada por el horno de inducción, esta energía pasa a través de un banco de capacitores automáticos para poder regular el factor de potencia. Un sensor de temperatura sensa la temperatura del horno, la señal es transmitida a un indicador de temperatura y a su vez a un controlador o variador de velocidad. El variador de velocidad regula las revoluciones por minuto, al hacer esto está variando la frecuencia del alternador.
Principales usos de los Hornos de Inducción Las fundiciones más modernas utilizan este tipo de horno y cada vez más fundiciones están sustituyendo los altos hornos por los de inducción, debido a que aquellos generaban mucho polvo entre otros contaminantes. Los hornos de inducción pueden ser utilizados para fundir, soldar, tratar o ajustar por contracción cualquier material que sea adecuado para su uso con calor por inducción. El tratamiento puede incluir materiales de recocido, endurecimiento o templado. La inducción de calor puede ser utilizada para soldaduras fuertes o soldadura simple de cobre, bronce, latón o acero. El ajuste por contracción puede implicar el montaje de piezas para una fabricación precisa. Los procesos de fundición se pueden hacer con material de hormigón que sea compatible con calor por inducción. Estos metales incluyen el acero, bronce, cobre y latón.
CARGAS R-L MOTORES CC ‘’Los motores de corriente continua es una de las aplicaciones industriales más importes que existen de las máquinas de corriente
continua, en la figura 7 se puede apreciar un motor de corriente continua. Este tipo de máquina tiene una gran importancia histórica debido a su empleo como generadores o dinamos y representaron el primer procedimiento para producir energía eléctrica a gran escala. El desarrollo de la máquina de CC se centra durante mucho tiempo en la búsqueda de procedimientos para transformar la ca inducida en una espira, al girar dentro de un campo magnético, en corriente unidireccional o de polaridad constante. La ventaja fundamental de la máquina de CC como motor frente a los motores de ca ha sido su mayor grado de flexibilidad para el control de velocidad y par, lo cual ha hecho muy interesante su aplicación en diversos accionamientos industriales (trenes de laminación, etc.).
Figura 7 . Motores de corriente continua.[5]
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CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN Las principales aplicaciones del motor de corriente continua son: Trenes de laminación reversibles. Los motores deben
de soportar una alta carga. Normalmente se utilizan varios motores que
se acoplan en grupos de dos o tres. Trenes Konti. Son trenes de laminación en caliente con varios bastidores. En cada uno se va reduciendo más la sección y la velocidad es cada vez mayor. Cizallas en trenes de laminación en caliente. Se utilizan motores en derivación. Industria del papel. Además de una multitud de máquinas que trabajan a velocidad constante y por lo tanto se equipan con motores de corriente continua, existen accionamientos que exigen par constante en un amplio margen de velocidades. Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras, elevadores, ferrocarriles. Los motores desmontables para papeleras, trefiladoras, control de tensión en máquinas bobinadoras, velocidad constante de corte en tornos grandes. OBJETIVOS:
OBJETIVO GENERAL.
Diseñar e implementar un conversor ac/dc semi controlado de onda completa para el control de potencia entregada a diferentes tipos de cargas (R, L, RL, RLE)
OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Investigar el principio de funcionamiento y configuraciones de los conversores AC/DC semi controlado de onda completa en diferentes tipos de cargas como R, RL, L, RLE. Investigar sobre los beneficios del diodo de conmutación en el conversor AC/DC semi controlado de onda completa en sus diferentes tipos de cargas. Diseñar el circuito del conversor AC/DC de onda completa. Implementar el circuito diseñado para controlar la variación de potencia en distintas cargas R, L, RL, RLE. Realizar diferentes tipos de pruebas en los diferentes tipos de cargas variando el ángulo del voltaje entregado Obtener las formas de onda de voltaje y corriente en los diferentes tipos de cargas. Analizar las formas de onda para establecer las conclusiones adecuadas.
EQUIPOS Y MATERIALES: EQUIPOS:
Osciloscopio Agilent DSO-X2014A Puntas de osciloscopio Pc portátil
MATERIALES:
Protoboard SCR´s Diodos Foco 110V Tarjeta Arduino Uno
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Transformadores de pulso. Puente de diodos Diodos
Resistencia 1Ω de 5W
Motor.
INSTRUCCIONES: Utilice ropa de protección: mandil, guantes, gafas, cabello recogido, zapato cerrado, etc. Verifique la disponibilidad de los equipos a usar en la práctica. Revisar los manuales de los equipos y elementos que se utilice. Des energizar todos los circuitos. Verificar el estado de las conexiones, como el voltaje que se va a utilizar en la práctica. ACTIVIDADES POR DESARROLLAR: 1. Implementación de la etapa de control. Primero se realizará el circuito de cruce por cero para poder sincronizar la señal de disparo en los tiristores, en este caso se implementará el circuito mostrado en la figura 8.
Figura 8. Circuito de cruce por cero
Cálculos: Cálculo de la resistencia en el diodo
1.5 1 :
12++ =50mA
:
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√ 10.8 2 10.8211.57.3[] 50 7.3 243Ω≅150
Con voltaje rectificado
Cálculo de la resistencia en el transistor
500 : 5 []
5005[] 10Ω
Realizar la programación en la tarjeta de adquisición de datos “Arduino” para poder controlar el ángulo de disparo de los
tiristores e implementar el circuito de la figura 9.
Figura 9. Configuración de entradas y salidas del arduino
2. Implementación de la etapa de desacoplamiento. Realizar el desacoplamiento mostrado en la figura 10 para proteger el circuito de control en caso de una posible falla en la parte de potencia que puede ocasionar daños.
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Figura 10. Desacoplamiento de la etapa de control y la etapa de potencia
Cálculos:
500
∗ + + : áá 510.7 500 6.6 ℎ
3. Implementación de la etapa de potencia. Realizar la etapa de potencia de conversor de onda completa de la figura 11, esta etapa será la que ponga en contacto la carga con el voltaje entregado por la red.
Figura 11. Etapa de potencia del conversor AC/DC semi controlado de onda completa.
Dimensionamiento para el conversor AC/DC de onda completa Análisis en la carga (Motor):
1 ∫
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: , 1 ∫∝ ; cos ∝ [cos+cos∝] [1+cos∝] : √ 2 ∗ ∝0 2 ∞ . +∑ cos( ) − = : 2 √ 10 2∗120 92.4 Análisis en la fuente:
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∶ 120 92.4 11.09 Análisis en los SCR’s:
1 1 ∫ 2 ∫ 2 0 2 √ 2 65.33 65.33∗1. ∗1.1 1 71.87
√ 2 ∗ ∗ √ 2 ∗120∗1. 1 186.67
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CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN 4. Unir todas las etapas como se muestra en la figura 12 para obtener el conversor AC/DC controlado de media onda.
Figura 12. Conversor AC/DC semi controlado de onda completa
5. Observar las formas de onda de voltaje y corriente a la entrada y salida del conversor. 6. Analizar los resultados. RESULTADOS OBTENIDOS: A continuación, se muestran las gráficas esperadas y obtenidas de los conversores AC DC semi controlado de onda completa: FORMAS DE ONDA SIMULADAS PARA EL CONVERSOR AC/DC SEMICONTROLADO DE ONDA COMPLETA Voltaje en la carga simulado Corriente en la carga simulada
SIMULADAS
Figura 13. Carga Resistiva
Voltaje en la carga obtenido en el osciloscopio Corriente en la carga obtenida en el osciloscopio
REALES EN EL OSCILOSCOPIO
°
Figura 14. Carga Resistiva α=135°
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Figura 15. Carga Resistiva
Figura 17. Carga Resistiva
°
°
Figura 19. Carga Resistiva Inductiva
°
Figura 16. Carga Resistiva
°
Figura 18. Carga Resistiva
°
Figura 20. Carga Resistiva Inductiva
°
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Figura 21 Carga Resistiva Inductiva
°
Figura 23. Carga Resistiva Inductiva α=45°
Figura 25. Carga RLE α=135 °
Figura 22. Carga Resistiva Inductiva
°
Figura 24. Carga Resistiva Inductiva
°
Figura 26.Carga RLE
°
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Figura 28. Carga RLE
°
Figura 30. Carga RLE
°
Figura 27. Carga RLE α=90°
Figura 29. Carga RLE α=45°
ANÁLISIS DE RESULTADOS:
Las formas de onda simulada del conversor AC/DC semi contralado de onda completa para una carga resistiva son iguales a las formas de onda reales que se obtuvo en la práctica en todos los ángulos de disparo para el voltaje y en su forma de corriente que se puede observar que es discontinua en todos los casos, esto se observa desde la figura 13 hasta la figura 18. En las formas de onda para una carga Resistivo-Inductivo para el conversor AC/DC semi controlado de onda completa varían en la forma de corriente entre lo simulado y lo real obtenido en la práctica, esto se dio porque se aumentó el valor de la inductancia, la forma de onda observada en las gráficas 20-22-24 se dieron al implementar l aparte inductiva con el primario de un transformador de 120/12V-1A, y es por eso que la corriente tiende a ser constante mientras menor sea el ángulo de disparo del voltaje. Para una carga RLE en el conversor AC/DC semi controlado de onda completa el voltaje en la carga nunca será cero como se observa desde la figura 25 hasta figura 30 tanto en las formas de onda simuladas como en las formas de onda reales obtenidas en la práctica esto se da por la fuerza contra electromotriz generada por el motor DC, además la forma de corriente para un ángulo de 90° difiere entre lo real y lo simulado debido a que se la inductancia usada para simular el motor DC se comporta de manera lineal en la descarga llegando a cero y siendo discontinua y no como en la simulada que se descarga para generar una forma de onda en modo crítico.
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CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN CONCLUSIONES: El conversor AC/DC de onda completa semi controlado se comporta de la misma manera que un AC/DC de Onda completa controlado con diodo de conmutación debido a que no permite que exista conducción de voltaje negativos a la carga. Cuando la carga RLE es altamente inductiva se tiene modo de conducción continua en el que no se aprecia la E en las formas de voltaje en la carga, si no es altamente inductiva se tiene modo de conducción discontinua (la corriente se hace cero) se aprecia la E en la forma de onda de voltaje en la carga. Para comprobar el funcionamiento del circuito se debe el sonido que emite el motor DC (carga RLE), si emite un sonido extraño al normal es porque el circuito tiene un mal funcionamiento. En la forma de onda de la corriente en la carga siempre va a existir el rizado, debido a que la bobina está hecha de alambre y el alambre tiene resistencia. En el conversor AC/DC semi controlado no hay posibilidad de obtener tensión negativa en la carga, así que solo trabajará en el primer cuadrante del diagrama tensión-corriente El conversor AC/DC semi controlado de onda completa utiliza dos SCR’s y dos diodos, y el comportamiento es el mismo que un conversor AC/DC controlado de onda completa con diodo de conmutación pero este conversor utiliza un puente de SCR´s. RECOMENDACIONES:
Se recomienda, no utilizar TRIAC’s para este tipo de aplicaciones y a su vez usar transformadores de pulso, debido a que los TRIAC’s 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 señal de disparo pero no se debe conectar el mismo disparo a las dos
gates para evitar cortocircuitos.
La manera correcta de obtener formas de onda de voltaje sin tomar valores negativos, es utilizar un diodo de conmutación dentro del circuito presentado.
Si se desea observar las formas de onda de voltaje y corriente en la carga a la vez, se debe utilizar una sola tierra, para prevenir inconvenientes.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DE LA WEB: [1] 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] «Tema12. Rectificadores no controlados,» [En línea]. Available: http://www.gte.us.es/~leopoldo/Store/tsp_12.pdf. [Último acceso: 4 Diciembre 2016]. [4] Aguilar.J «Electronica de Potencia» [Enlínea]. Available: https://issuu.com/jaguilarpena/docs/electronica_potencia1_1 [Último acceso: 17 Diciembre 2016]. [5] En linea]. Avaible: http://prof.usb.ve/jaller/Guia_Maq_pdf/cat_motores_ind.pdf [Ultimo acceso: 04 de Diciembre del 2016] [6] L. Molina y V. Héctor, «DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONVERSOR AC/DC NO CONTROLADO DE 3, 6, 9, 12 Y 24 PULSOS, Y ANALIZADOR DE ARMÓNICOS A TRAVÉS DE UNA PC,» Latacunga, 2007. [7] J. Benavent, A. Abellán y E. Figueres, Electrónica de potencia: Teoria y aplicaciones, Alfaomega, p. 31.
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CARRERA: ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN FIRMAS F: ………………………………………….
Nombre: Ing. Franklin Silva DOCENTE
F: ………………………………………….
F: ……………………………………………..
Nombre: COORDINADOR DE ÁREA DE CONOCIMIENTO
Nombre: Ing. Mayra Erazo JEFE DE LABORATORIO