conversor acac con control de fase directo en lazo cerrado aplicado a carga resistiva
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Conversor AC-AC con Control de Fase Directo en lazo cerrado aplicado a carga resistiva.TRANSCRIPT
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Conversor AC/AC con Control de Fase Directo en
lazo cerrado aplicado a carga resistiva.
Cazco Cristina, Corts Jos, iguez Ivn, Romero Wendy
IPEC
ESPOCH
Riobamba, Ecuador
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Resumen: El presente documento detalla el diseo
e implementacin de un Conversor AC/AC por medio
de un control de fase directo en el cual un Set Point
ingresa a un controlador implementado en un Arduino
donde se compara el valor deseado con el valor
obtenido de acuerdo al disparo realizado, lo cual
permite una compensacin del error, logrando as un
voltaje constante en la carga, a pesar de aumentar o
disminuir la misma.
Palabras clave: Conversor AC/AC, Arduino.
I. INTRODUCCIN
Una nueva generacin de convertidores de potencia
AC-AC monofsicos y trifsicos con ms conmutaciones
por ciclo medio se ha propuesto para la alimentacin de
AC o el voltaje de corriente alterna acondicionado debido
a la capacidad de la disponibilidad y el poder creciente de
alta frecuencia controlado por el encendido y apagado de
semiconductores de potencia, que son dispositivos de
conmutacin. [1]
Estos conversores permiten controlar la cantidad de
potencia que se entrega a una carga variando el valor RMS
del voltaje AC, pero sin llegar a modificar el flujo de
energa.
Existen dos ventajas principales en la implementacin
de un conversor AC/AC: Se caracteriza por un alto factor
de potencia y una corriente de entrada de onda sinusoidal.
[2]
Para la transferencia de potencia, normalmente los
tiristores son controlados de dos formas.
Control de abrir y cerrar.- Los tiristores permiten el paso de unos cuantos ciclos del voltaje AC, desde la
fuente hacia la carga e interrumpe otros cuantos
ciclos.
Control de ngulo fase.- Los tiristores permiten el paso de una cierta cantidad de voltaje AC, desde la
fuente hacia la carga en cada semiciclo.
Los conversores de voltaje AC, pueden clasificarse
en dos tipos:
Conversores monofsicos
Conversores trifsicos
Tanto los conversores monofsicos como los
trifsicos pueden ser controlados de manera unidireccional
(media onda) o bidireccional (onda completa).
Dependiendo de la potencia a entregar, estos
conversores pueden dividirse en:
Control de fase directo
Control de fase inverso
Control de fase simtrico
Control de fase diferencial
Control por ciclo integral
Troceador AC
El control de fase puede implementarse con
dispositivos como: dos SCRs en antiparalelo, un TRIAC,
dos GTOs, transistores. [3]
El presente documento describe el diseo e
implementacin de un conversor monofsico AC-AC ya
que se trabaja con la red elctrica de 120V, tanto en la
seal de entrada como salida, controlado por fase directo
por medio de SCRs donde se realiza la conexin del
voltaje de red en cualquier punto de la semionda de forma
sincronizada, para controlar el ngulo de fase con el
objetivo de mantener un voltaje de salida constante
(Vrms), sin importar si aumenta o disminuye la carga, ya
que permite regular la potencia aplicada en la misma.
II. DISEO
El sistema descrito a continuacin, consta de un
controlador, el cual determina el ngulo de disparo
necesario para cumplir con el requerimiento deseado de
entrada que tiene el sistema. La planta en la cual el
controlador tiene efecto es el conversor AC/AC. Se plantea
un sistema en lazo cerrado, pues la salida del mismo se
realimenta al controlador. El esquema generalizado del
sistema se muestra en la Fig. 1.
Fig. 1. Diagrama de bloques Sistema conversor AC/AC
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El controlador se implementa en un Arduino. La
seal del Set Point se la obtiene mediante un divisor de
voltaje que se realiza con un Potencimetro, esta seal es
el requerimiento deseado, indica el voltaje eficaz de salida
que el conversor debe tener. Dicho voltaje se mantiene
constante sin importar si la carga a la cual alimenta el
circuito aumenta o disminuye.
Fig. 2. Circuito acondicionador de seal de realimentacin.
La seal de realimentacin se obtiene mediante un
acondicionamiento del voltaje en la carga con el circuito
de la Fig. 2, la funcin del circuito es entregar una seal
de voltaje continuo; mediante procesamiento matemtico
se obtiene el valor del voltaje eficaz de la carga.
El transformador reduce el voltaje que se tiene en la
carga para procesar de manera sencilla. Mediante el puente
de diodos se obtiene la seal de voltaje continuo, el divisor
de voltaje disminuye el mismo para tener un valor mximo
de 5V, valor que es apropiado para procesar en el Arduino.
= . ()
(1)
La relacin de trabajo del transformador reductor es
8:1. El voltaje de salida Vf en el secundario es 14.84
Vrms. Con la ecuacin (1) se calcula el voltaje medio a la
salida del puente rectificador que es igual a 13.36 Vdc.
La ganancia (2) del divisor se obtiene al comparar el
voltaje de salida V0 con el voltaje de entrada Vin, dicho
valor es 0.374.
=0
(2)
Los valores de las resistencias R1 y R2 se calculan al
despejar (3), se asigna un valor a R1 y se calcula R2.
= 1
12 (3)
La seal obtenida a la salida del circuito es la que se
utiliza como seal de sensor; A travs de una entrada
analgica del Arduino se adquiere la misma para procesar
dicha seal. De la ecuacin (1) se despeja el ngulo que
sirve para calcular el voltaje eficaz relacionado a dicho
ngulo.
= (. ())2
(4)
El Vrms que se calcula es el voltaje eficaz que se
tiene a la salida del secundario del transformador reductor;
al multiplicar dicho valor con la relacin de
transformacin, se encuentra el Vrms que est aplicado a
la carga, conocido tambin como variable del proceso.
Una vez conocidas las seales de Set Point SP y la
variable del proceso PV, se puede implementar cualquier
tipo de control al sistema, dependiendo de la precisin de
control que se quiera dar al mismo.
Se implemente un control proporcional con una
restriccin especfica para el sistema: cuando el error es
cero, la ganancia del control proporcional es unitaria. Con
el valor del Set Point, se calcula un ngulo inicial de
disparo 0. El error del sistema (5) se calcula al comparar la seal de Set Point con la seal de la variable del
proceso.
= (5)
La seal de control que se genera se determina en (6),
donde Kp es la ganancia de control proporcional. Para el
clculo del control proporcional se crea una funcin
especfica en el Arduino.
= 0 (6)
Con el ngulo se genera la seal de control para el conversor AC/AC.
En el Arduino el procesamiento de los clculos en su
mayora se realiza en datos de tipo flotante; se tiene un
nmero considerable de ecuaciones, esto requiere un
tiempo de procesamiento un poco alto, considerando que
adems se controla una pantalla LCD para visualizacin de
datos. Por esta razn se utiliza dos Arduino para la
implementacin del controlador.
El Arduino nmero 2 se encarga exclusivamente de la
generacin de la seal de control, para el disparo del
conversor AC/AC, pues la misma es sincronizada con el
cruce por cero de la seal de voltaje alterno que alimenta al
mismo. Si se realiza todas las funciones descritas
anteriormente en un solo microcontrolador, se tiene el
problema de sincronizacin, pues dependiendo del ngulo
-
de disparo, todos los procesamientos del controlador se los
debe realizar en menos de 1 ms.
En el Arduino 1, se genera una seal de salida
analgica entre 0V y 5V, que es la seal del ngulo de
disparo que se calcul anteriormente. La seal se genera
mediante modulacin de ancho de pulso PWM:
analogWrite(pinpwm,angulo2); (7)
El cdigo (7) indica el canal del microcontrolador
que va a utilizar como salida (pinpwm) y el valor que
desea representar (angulo2) que vara entre 0 y 255. Por lo
tanto al ngulo que se calcula, se transforma para estar en
los rangos citados anteriormente (0-255). Al ser una seal
basada en PWM, no es continua en todo el transcurso del
tiempo, es un tren de pulsos, por lo que al adquirir la seal
en una entrada analgica del Arduino 2, el valor obtenido
no es el que genera el Arduino 1, el problema se soluciona
al conectar un filtro a la salida la seal; su efecto es
aplanar la misma, que queda continua en el transcurso del
tiempo.
Se crea una funcin, Fig. 3, para la lectura de la
seal, en la cual adems se realiza un proceso matemtico
para acondicionar la misma a valores deseados. El cdigo
utilizado es el adecuado para disminuir el tiempo de
procesamiento del mismo. Los valores procesados son de
tipo entero. Primero se transforma a un valor que va desde
0 a 180, mismo que representa el ngulo de disparo.
Posterior a ello se transforma dicho valor a su equivalente
en tiempo en microsegundos, que depende del periodo de
trabajo T. Se realiza de este modo para evitar que se
pierdan datos, pues existe la posibilidad de hacer una sola
operacin matemtica y obtener el mismo resultado pero
ello implica la trasformacin entre tipo de datos, de tipo
entero a tipo flotante, lo que implica mayor tiempo de
procesamiento del Arduino.
Fig. 3. Cdigo de clculo del ngulo transformado a microsegundos.
El periodo de trabajo se despeja de (8). Es el inverso
de la frecuencia de trabajo de la red. Como el periodo de la
seal contiene dos semiciclos de la misma, el valor
resultante se divide a la mitad, pues el ngulo se encuentra
(como se menciona anteriormente) entre 0 y 180.
=1
(8)
La seal de control de ngulo de disparo de los
tiristores que entra al conversor AC/AC se genera
mediante PWM. Esta seal est sincronizada con la red, de
esta manera se garantiza que el ngulo de disparo
comience justo en el inicio del periodo de cualquiera de los
semiciclos.
Un circuito de cruce por cero se emplea para
sincronizar el ngulo de disparo con la red, Fig. 4.
Fig. 4. Circuito detector de cruce por cero.
El puente de diodos en conjunto con el optoacoplador
forma el detector de cruce por cero. La funcin del mismo
se refleja en el disparo del fototransistor que posee el
optoacoplador. En la resistencia R4 se tiene una cada de
voltaje mientras no cruce por cero la seal, Fig. 5 Dicho
voltaje entra a un amplificador operacional que est
configurado como comparador y genera una seal de onda
cuadrada, Fig. 6, saturacin en alto (5V) cuando hay
voltaje en R4, y saturacin en bajo (0 V), cuando el voltaje
en R4 es menor a 2.5V.
Fig. 5. Cada de voltaje en R4.
Fig. 6. Seal a la salida del amplificador operacional.
La seal de cruce por cero se introduce al Arduino
mediante una entrada digital. Para lograr una
void lectura1(){
aux_angulo=analogRead(pin_angulo);
angulo=aux_angulo/6;
angulo1=angulo*46;
}
-
sincronizacin precisa con la red, la entrada digital se la
configura para que funcione como interrupcin (9).
attachInterrupt(1, disparo,CHANGE); (9)
En el cdigo de programacin (9) el primer parmetro
indica que pin de interrupcin se usa (depende del Arduino
que se utilice), el segundo parmetro indica la funcin
(disparo) que se ejecuta una vez se produzca la
interrupcin, y tercer parmetro indica el modo de detectar
la misma; en (9) el modo CHANGE indica que la
interrupcin se activa cuando el pin cambia de valor, es
decir, cuando pasa de LOW a HIGH o de HIGH a LOW.
Con ello se garantiza una sincronizacin adecuada.
La funcin asociada (disparo) a la interrupcin cambia
el valor de una variable auxiliar, con la que est
condicionada la ejecucin del cdigo que genera la seal
de control del conversor AC/AC Fig. 7.
Fig. 7. Cdigo de generacin seal PWM de ngulo de control.
El cdigo Fig. 7 genera un PWM; el tiempo
calculado en Fig. 3 es el ancho de pulso que trabaja en
bajo. Para el resto de tiempo la salida permanece en alto.
Se trabaja con pausas en microsegundos, para que la seal
generada sea lo ms precisa posible. Luego de activar la
salida en alto, se asigna otro valor a la variable auxiliar,
esto evita que se ejecute el cdigo que genera el PWM
repetitivamente; el mismo se ejecuta nuevamente cuando
produce la interrupcin del siguiente cruce por cero. La
seal generada es la que se muestra en la Fig. 8".
Fig. 8. Seal de control de ngulo de disparo del conversor AC/AC
El conversor AC/AC Fig. 9, se conforma de dos
tiristores (SCR) conectados en antiparalelo. Posee dos
optoacopladores mediante los cuales se realiza el disparo
de los SCR; estos acoplan la seal de control de disparo al
conversor AC/AC, es decir la seal generada por el
controlador se conecta a la entrada de los optoacopladores.
Cada tiristor entra en funcionamiento en un semiciclo
determinado, en el otro semiciclo queda polarizado
inversamente. El pulso de disparo se produce nicamente
en el semiciclo que funciona cada tiristor. El diodo
conectado al optoacoplador permite el paso de uno de los
semiciclos, bloqueando el otro.
Fig. 9. Circuito conversor AC/AC
La seal resultante del circuito descrito anteriormente
es la mostrada en la Fig. 10.
Fig. 10. Seal resultante del Conversor AC/AC
III. CONCLUSIONES
La seal de control debe estar sincronizando los tiempos respectivos en cada semiciclo, esto se
if (variable_auxiliar==condicin){
digitalWrite(control,LOW);
delayMicroseconds(angulo1);
(11)
digitalWrite(control,HIGH);
aux2=2;
}
-
consigue por medio del circuito de cruce por cero,
logrando controlar el ngulo de disparo con mayor
eficiencia. Al variar el Vrms, se controla la potencia
entregada a la carga. El Vrms se controla al variar el
ngulo de disparo de los SCRs.
Todas las referencias de tierra de los circuitos de voltaje continuo deben estar conectadas, caso
contrario no tendra un correcto funcionamiento ya
que no estaran correctamente referenciadas.
En carga resistiva, es posible conocer el valor del voltaje Vrms a partir del voltaje medio Vdc, debido a
que los dos valores de voltaje dependen del ngulo de
disparo . Al tener el valor del Vdc, se calcula , con lo cual podemos deducir el valor de Vrms.
El sistema descrito en lazo cerrado brinda mayor robustez al Conversor AC/AC debido a que se corrige
el ngulo de disparo por medio del controlador
implementado. Se us un control proporcional para el
mismo, obteniendo un buen resultado.
IV. REFERENCIAS
[1] Miyatake, M., Hyun Woo Lee and Nakaoka, M., A Novel
Circuit Topology of Three-Phase Direct AC-AC PWM Voltage Regulator, Dept. of Electr. & Electron. Eng., Sophia
Univ., Tokyo, Industry Applications Conference, 2006. 41st
IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2006
IEEE (Volume:4 ), 8-12 Oct. 2006
[2] By Mr. D. Kirubakaran and Dr. S. Rama Reddy, Closed Loop Controlled AC-AC Converter for Induction Heating, The
Official Electronic Publication of the The Association of
Technology, Management, and Applied Engineering, volume 25, Number 2 - April 2009 through June 2009
[3] Jami Alomoto S., Rivera Alvarado J., Actualizacin de los Mdulos de Control de Conversores estticos de Energa AC-
AC, mediante una PC: Control de Fase Diferencial, Troceador
ac y Control de Fase Directo, Carrera de Tecnologa en Electrnica, Latacunga-Ecuador, 2009.
http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Miyatake,%20M..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37270892000&newsearch=truehttp://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Hyun%20Woo%20Lee.QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37280118800&newsearch=truehttp://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Nakaoka,%20M..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37275124400&newsearch=truehttp://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=4025170http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=4025170http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=4025170