Conversor Ac Ac Final

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA DEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRONICA

PRACTICA I UNIDAD CARRERA

C DIGO DE LA ASIGNATURA

NOMBRE DE LA ASIGNATURA

Electrónica e Instrumentación

1967

Control electrónico de potencia

PRÁCTICA N°

DURACIÓN (HORAS)

LABORATORIO DE: TEMA:

1

Conversor AC/AC de fase directo para controlar la potencia en diferentes tipos de cargas tanto resistivas como inductivas y arrancador suave.

2

1 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL 

Diseñar e implementar un conversor conversor AC/AC de fase directo para controlar controlar la potencia en diferentes tipos de cargas tanto resistivas como inductivas e implementación de un arrancador suave.

OBJETIVOS ESPECIFICOS Investigar acerca del conversor de fase directo y los diferentes tipos de carga. Investigar acerca de los arrancadores suaves y su correcta aplicación a motores de AC. Diseñar un conversor de fase directo que conste de una parte de control y otra de potencia. Implementar un conversor de fase directo de fácil manipulación para usuario al momento de elegir el ángulo de disparo.  Analizar las formas de onda ond a tanto de d e voltaje como corriente que q ue se produce en los diferentes tipos de carga. Implementar un circuito arrancador suave para regular la velocidad de un motor de inducción de  AC.

   





2

INSTRUCCIONES A. EQUIPO Y MATERIALES NECESARIOS      

    

 

    

Protoboard Osciloscopio SCR´s Foco 110V Microcontrolador arduino Mega Capacitores Amplificador Operacional. Resistencias (varios valores 0.25 W) Transformadores de pulso Puente de diodos



Resistencia 1Ω de 5W



Motor universal.

3

RESUMEN 

En el siguiente trabajo se realizó el diseño e implementación de un control de fase directo para controlar la potencia entregada a diferentes tipos de carga. Se implementó el control de fase debido

a que es el más fácil de implementar, aunque presenta la mayor cantidad de armónicos que los demás conversores, este es suficiente para controlar la velocidad de un motor, iluminación, etc. La implementación constará de dos etapas, la primera de control y la segunda es la parte del acoplamiento de potencia. En la etapa de control hay que tener en cuenta el cruce por cero y el ángulo de disparo, esto se realiza mediante programación a través de un microcontrolador. El ángulo de disparo se debe calcular tomando en cuenta el periodo de la señal proporcionada por la red y con esto se podrá determinar una relación lineal para un buen funcionamiento del circuito.

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ABSTRACT 

5

In the following work the design and implementation of a direct phase control was performed to control the power delivered to a load. The phase control was implemented because it is the easiest to implement and also the fastest to do, although it has the highest amount of harmonics than other converters but this is enough to control the speed of a motor, lighting, etc. The implementation will consist of two stages, the first of control and the second is the part of the power coupling. In the control stage it is necessary to take into account the crossing by zero and the firing angle, this is done by programming through a microcontroller. The trip angle must be calculated taking into account the period of the signal provided by the network and with this it will be possible to determine a linear relation for a good operation of the circuit.

MARCO TEÓRICO

CONVERSOR AC/AC Un convertidor es un dispositivo que permite controlar la conversión de energía entre una fuente y una carga con alta eficiencia. Por lo tanto un convertidos debe ser un dispositivo que manipule energía pero que no la consuma o que sea lo más mínima posible. Es un convertidor que controla la tensión, la corriente y la potencia que entrega una fuente de alterna a una carga de alterna.

Control de fase directo El control de fase directo consiste en variar el ángulo de disparo entre 0 grados y 180 grados, cambiando el valor de voltaje que se entrega a la carga, y con ello variando la potencia en la carga.

Figura 1 control de fase directo

∝

En la figura anterior se observa que el tiristor T1 empieza a conducir luego de un retardo de disparo del ángulo (  ) en el semi-ciclo positivo y hará lo mismo a través de T2 en el semi-ciclo negativo.

 Aplicaciones del control de fase directo :      

Hornos industriales Hornos de inducción Control de iluminación Arranque y control de velocidad de motores de inducción. Control de reactivos. Relés de estado sólido.

DIFERENTES TIPOS DE CARGAS CARGA RESISTIVA. Las cargas resistivas son simplemente aquellas en las que la electricidad produce calor y no movimiento. Típicas cargas de este tipo son las lámparas incandescentes o los radiadores eléctricos. Todas aquellas que consumen electricidad y por lo general producen calor o luz, por ejemplo: parrillas eléctricas, focos, horno eléctrico, cafetera,etc

Horno eléctrico Un horno eléctrico es aquel aparato para la cocción que funciona con energía eléctrica. Esta es convertida en calor por  resistencias. Consiste en la aplicación directa sobre la pieza de unas mordazas a las que se somete una tensión eléctrica adecuada, generándose calor por efecto Joule como muestra la figura 2.

Figura 2 Horno eléctrico

CARGA INDUCTIVA. Son aquellas que utilizan la electricidad pero no la disipan, por ejemplo los motores eléctricos (motobomba, refrigerador, extractor de jugos) en los cuales se crean campos magnéticos que interactúan, a partir de los cuales se produce movimiento (energía mecánica).

Horno de inducción El Horno eléctrico en que el en el que 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

Figura 3 Horno de inducción

Los hornos de inducción se utilizan sobre todo porque son bastante limpios, pueden derretir materiales con rapidez, y en general son asequibles para mantener y operar. También permiten un control preciso de la temperatura y el calor. Debido a que ganan calor muy rápidamente no se deben dejar en marcha entre operaciones para así ahorrar en recursos energéticos y ayudar a administrar los costos de operación.

Motor de inducción Los motores der alterna se fabrican en las más diversas potencias, desde una fracción de caballo hasta varios miles de caballos de fuerza (HP), se los construye para prácticamente, todas las tensiones y frecuencias (50 y 60 Hz) normalizadas y muy a menudo, están equipados para trabajar a dos tensiones nominales distintas. Se emplean para accionar  máquinas-herramienta, bombas, montacargas, ventiladores, grúas, maquinaria elevada, sopladores, etc.

Figura 4 Motor trifásico de inducción

Principio de funcionamiento Cuando la corriente atraviesa los arrollamientos de las tres fases del motor, en el estator se origina un campo magnético que induce corriente en las barras del rotor.Dicha corriente da origen a un flujo que al reaccionar con el flujo del campo magnético del estator, originará un para motor que pondrá en movimiento al rotor. Dicho movimiento es continuo, debido a las variaciones también continuas, de la corriente alterna trifásica. Solo debe hacerse notar que el rotor no puede ir a la misma velocidad que la del campo magnético giratorio. Esto se debe a que a cada momento recibe impulsos del campo, pero al cesar el empuje, el rotor se retrasa. A este fenómeno se le llama deslizamiento. Después de ese momento vendrá un nuevo empuje y un nuevo deslizamiento, y así sucesivamente. De esta manera se comprende que el rotor nunca logre alcanzar la misma velocidad del campo magnético giratorio. Es por lo cual recibe el nombre de asíncrono o asincrónico. El deslizamiento puede ser mayor conforme aumenta la carga del motor y lógicamente, la velocidad se reduce en una proporción mayor.

ARRANCADOR SUAVE Dado que la mayoría de las máquinas utilizadas en la industria están movidas por motores alimentados por corriente alterna como el de la figura 4, es necesario implementar un arrancador suave. Los  Arrancadores Suaves son dispositivos estáticos de arranques desarrollados para acelerar, para desacelerar y para proteger los motores de inducción trifásicos a través del control de la tensión aplicada en el motor. Un arranque suave es un término que describe la electrónica en cualquier circuito que reduce el exceso de corriente durante el encendido inicial. El arrancador se usa para iniciar o detener un motor, decrementando o incrementando la forma de onda de voltaje, por lo tanto, reduciendo la tensión de cada fase de un motor y aumentando gradualmente el voltaje hasta que el motor se levanta a pleno voltaje / velocidad a una frecuencia fija. Es similar a una resistencia primaria o primaria reactancia de arranque, ya que está en serie con la alimentación del motor.

VOLTAJE, CORRIENTE Y POTENCIA Carga resistiva

Voltaje instantáneo:

  1 ()= 2 ∫∝ √ 2 ()  ∫+∝√ 2 ()    2  √   ()= 2 ∫()  ∝ √ 2  ∫+∝()  ()= 2 2∫()   ∝  2  √   ()=  ∫()   ∝ ()= √ 2 [cos()] ∝ ()= √ 2 [cos()cos(∝)] ()= √ 2 [1cos(∝)]

Corriente instantánea:

Potencia media:

()= √ 2 [1cos(∝)]  1 =  ∫()   1 = 2 ∫ ()()

Voltaje eficaz:

 = 1 ∝ sin(2∝) 2  Voltaje instantáneo:

Corriente instantánea:

Carga resistiva- Inductiva

()= 21 ∫∝√ 2 ()   2  √   ()= 2 ∫()   ∝ ()= √ 22 [cos()] ∝ ()= √ 22 [cos()cos(∝)] √ 2()= 

(∝)=0

   = √ 2()    −   =   = √ 2(∅)    =  () −  ∅=tan ()=   − 2   √   ()=  ()  ()= √ 2 ()− ∝ 2  √   −  0=  (∝)  

2Vf    K     sen(    )e tan   Z 

i ( wt )  i (  )  0

0

2Vf    Z 

2Vf    Z 

 wt  

( sen( wt   )  sen(    )e

tan 

   

( sen(     )  sen(    )e    



tan 

e

tan 

 sen(     )  sen(    )

 ∝       Voltaje eficaz: Vo2  Vo2  Vo  2

Vo 

1

T 

T  

0

1

( 2Vfsenwt ) 2 dt 

 

(   

2Vfsenwt ) 2 dwt 

 

2Vf  2   Vf  2



1  cos 2wt 

 

2

 

dwt    

 sen2 wt 

( wt   ) 2            sen2  sen2     Vo2  Vf  2 ( )   2  2  2

Vo  Vf  

    

       sen2   



2 

Potencia media:

 = 1 ∫() 



sen2   2 

)

)

 1 = 2 ∫ ()() 6

DESARROLLO DIMENSIONAMIENTO

=  =cos    =      10        0.7  0.9 =  = 10 0.8 =12.5   =   =56. = 12.220852          2 ′         :  =28.40 

          :  =√ 2 ∗ ∗    32  =√ =466. 2 ∗220∗ 69  

   

 del SCR

  = ∗    =     = 510.7 200  =16.5 ℎ

Para poder efectuar el control de fase directo por ángulo de disparo con un microcontrolador, es necesario que este pueda saber cuándo la señal de la red realiza un cruce por cero, es decir sensar cuando se produce el cambio de polaridad. El siguiente esquema muestra el diseño de un detector de cruce por cero realizado con el integrado LM358 como muestra la figura 5:

Figura 5 Circuito detector de cruce por cero

Como se puede apreciar en la siguiente imagen, el comportamiento simulado del circuito mostrado es el que se puede observar a continuación:

Figura 6 señal de cruce por cero

A simple vista se puede apreciar que el detector, como su nombre lo indica, al efectuarse el cruce por cero de la señal de la red este nos entrega un pulso de amplitud no mayor a 5 voltios perfecta para su acoplamiento a cualquier microcontrolador. Como el microcontrolador seleccionado para esta aplicación es un ATMEGA2560 ya montado en una tarjeta Arduino Mega, la señal de pulsos obtenida del detector se la ingresa al pin digital 2 de la tarjeta debido a que este trabaja como ingreso de interrupciones externas de ser necesario el caso. Y proporciona una señal de disparo para los SCR a través de los pines digitales, la cual debe ser en forma de tren de pulsos para así asegurar el disparo de los semiconductores de potencia como muestra la figura 7.

Figura 7 disparo de Tiristores con tren de pulsos

La parte de potencia se la realizará con la ayuda de SCR’s y   el control estará aislado de la parte de potencia mediante transformadores de pulso los cuales implementaremos en el siguiente circuito de la figura 8:

Figura 8 Acoplamiento entre la parte de control y la de potencia

7

RESULTADOS OBTENIDOS SEÑAL ENTREGADA POR EL CIRCUITO DE CRUCE POR CERO

Señal rectificada de onda completa y señal de cruce por cero SEÑALES DE VOLTAJE Y CORRIENTE A DIFERENTES ÁNGULOS DE DISPARO EN UNA CARGA RESISTIVA

Con 0°

Roja: señal de voltaje en la carga Verde: señal de corriente en la carga

Roja: señal de voltaje en la carga Verde: señal de corriente en la carga

Señal Simulada

Señal obtenida

Con 30°

Señal Simulada

Señal obtenida

Con 60°

Señal Simulada

Señal obtenida

Con 90°

Señal Simulada

Señal obtenida

Con 120°

Señal Simulada

Señal obtenida

Con 150°

Señal Simulada

Señal obtenida

Con 180°

Señal Simulada

Señal obtenida

SEÑALES DE VOLTAJE Y CORRIENTE A DIFERENTES ÁNGULOS DE DISPARO EN UNA CARGA RESISTIVA-INDUCTIVA Roja: señal de voltaje en la carga Verde: señal de corriente en la carga

Control 30 grados

Control 60 grados

Roja: señal de voltaje en la carga Verde: señal de corriente en la carga

Control 90 grados

Control 120 grados

Control 150 grados

Control 180 grados

8

ANÁLISIS DE RESULTADOS

La señal del detector de cruce por cero es un factor importante, con el cual se sincroniza los tiempos respectivos para cada caso, logrando controlar con mayor precisión el ángulo de disparo. El control de la señal sobre la carga, se visualiza en el osciloscopio de forma real, existiendo una pequeña

variación con respecto a la simulación realizada, teniendo un desfase en relación al ángulo deseado, pero a este error se lo podría considerar un error dentro de los límites aceptables. Considerando que cada semiciclo sinusoidal de la red corresponde a una conducción de 180 grados (360 grados para un ciclo completo), en una carga resistiva pura variando el ángulo de disparo de 180 grados a 0 grados se consigue regular la potencia aplic ada a la carga del 0% al 100%, a este valor lo llamamos ángulo de retardo (alfa). Si hay componente inductiva en la carga esta obliga a sobrepasar los 180 grados del semiciclo hasta un ángulo conocido como beta que depende del valor de la inductancia y el control se lo realiza con un ángulo superior a la conducción extra de la bobina. Si la carga es inductiva pura el ángulo mínimo de control es de 90 grados a 180 grados. Los reguladores están constituidos por dos SCRs en antiparalelo, los cuales se colocan en una de las líneas de alimentación del voltaje hacia la carga

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CONCLUSIONES 

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El control de fase directo permite controlar la conversión de energía entre una fuente y una carga con alta eficiencia mediante la variación ángulo de disparo entre 0 grados y 180 grados, cambiando el valor de voltaje que se entrega a la carga, y con ello variando la potencia en la carga. El control de fase con carga resistiva provoca que la corriente en los tiristores termine en el cruce por cero y la señal de voltaje controlado sea similar a la de corriente. Una carga inductiva obliga a que los tiristores continúen conduciendo aun cuando existe cruce por cero ya que no puede existir cambio brusco de corriente. El detector de cruce por cero permite obtener el instante en que la señal de alterna cambia de polaridad y empieza el conteo para el ángulo de disparo a través del microcontrolador. La excesiva energía usada en los arranques puede dañar a los motores al mismo tiempo produce un desgaste en los elementos mecánicos. Sin el uso de arrancadores suaves se puede ahorrar tiempo en el momento de encender los motores pero esto produciría grandes pérdidas y un desperdicio de dinero. Un arrancador suave es una solución muy adecuada para el arranque de motores trifásicos de alterna ya que evita que al ser conectados directamente a la red, el motor comience a luchar por alcanzar la velocidad nominal tan rápido, esto conlleva a alcanzar la máxima corriente lo cual puede provocar diferentes problemas en los motores o cargas conectadas, disminuyendo la vida útil del elemento. El control para un una carga inductiva pura debe ser a partir de un ángulo de 90 grados a 180 grados ya que al ser una bobina pura almacena corriente y luego la devuelve, por tanto a ángulos inferiores a 90 grados se perderá el control de fase. En una carga inductiva pura el mínimo ángulo de disparo debería ser 90 grados a 180 grados ya que al ser una bobina toda la corriente que almacena en un semiciclo debe devolver en el otro semisiclo, a ángulos inferiores se perdería el control.

RECOMENDACIONES 

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Se recomienda, no utilizar TRIAC’s para este tipo de aplicaciones debido a que el trabajo presentado está orientado a altas potencias. Hay que tener mucho cuidado con el desacoplamiento de la parte de control con la de potencia ya que si este no está bien realizado regresaría corrientes altas a la parte de control y se dañaría la parte de control. Para acoplar el circuito de potencia con la parte de control es recomendable usar transformadores de pulso ya que en los optoacopladores la corriente varía de acuerdo a la entrada. Es aconsejable disparar a los tiristores con una señal en forma de tren de pulso como alternativa a disparar con un tren de pulsos ya que es posible q no se dispare al primer pulso. Se debe consultar la hoja característica de cada dispositivo para conocer las características óptimas

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de trabajo. Se debe utilizar los arrancadores suaves para proteger a los motores de las excesivas corrientes que toman de la red para su arranque. Para la conexión del osciloscopio para la visualización de formas de onda se debe tener en cuenta las tierras ya que si no lo hacemos podemos causar cortocircuitos. Para la visualización de la forma de onda de corriente en las diferentes cargas es necesario colocar una resistencia de valor bajo y de alta potencia en serie a la carga, ya que la forma de onda de la corriente en una resistencia es similar a la forma de onda de voltaje.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DE LA WEB

(25 de Noviembre del 2016) Obtenido de https://farikhardiansyah.wordpress.com/?s=zero&submit= (25 de Noviembre del 2016). Obtenido de http://www.cifp-mantenimiento.es/elearning/index.php?id=22&id_sec=1 (25 de Noviembre del 2016). Obtenido de http://www.cifp-mantenimiento.es/elarning/index.php?id=2&id_sec=7

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ANEXOS

Imagen del circuito implementado

Datashet de SCRs

Datashet LM358

Código del microcontrolador #include #include #define DETECT 2 #define GATE 30 #define GATE1 31 #define PULSE 4 #define MAX_CONTROL 510 int salida=0; int paso; int entrada=180; int topeo; long int tiempoArranque=7; float tiempoDelay=0; char desArranque='n'; float aux=180; int arranqueInicial=0; int conta; int conta2; char inchar; char modoOperacion='z'; char unidadesDisparo ='g'; int inInt=0; String inputString=""; void setup(){ entrada=180; Serial.begin(9600); pinMode(DETECT,INPUT); pinMode(GATE,OUTPUT); pinMode(GATE1,OUTPUT); OCR1A = 100; //inicia comparador TIMSK1 = 0x03; TCCR1A = 0x00; TCCR1B = 0x00; attachInterrupt (0,zeroCrossingInterrupt , RISING); Serial.println("CONTROL

ELECTRONIVCO DE POTENCIA" ); de angulo de disparo" );

Serial.println("[a]Control

Serial.println("[b]

Arrancador sueve" ); Volver al inicio (posibilidad de3 ingreso a lo largo del programa)" ); Serial.println("Ingrese la opcion deseada" ); } Serial.println("[s]

void zeroCrossingInterrupt(){ paso=0; TCCR1B=0x04; TCNT1=0; } ISR(TIMER1_COMPA_vect){ digitalWrite (GATE,HIGH); digitalWrite (GATE1,HIGH); TCNT1 = 65536-PULSE; } ISR(TIMER1_OVF_vect){ digitalWrite (GATE,LOW); digitalWrite (GATE1,LOW); conta=2.7222*OCR1A+20; conta2=0.017*conta-0.34; topeo=8.33-conta2; topeo=topeo/1; for (int a=0;a