conversor acac con control de fase directo en lazo cerrado aplicado a carga resistiva

5
Conversor AC/AC con Control de Fase Directo en lazo cerrado aplicado a carga resistiva. Cazco Cristina, Cortés José, Íñiguez Iván, Romero Wendy IPEC ESPOCH Riobamba, Ecuador [email protected], [email protected], ivan.iñ[email protected], [email protected] Resumen: El presente documento detalla el diseño e implementación 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 compensación del error, logrando así un voltaje constante en la carga, a pesar de aumentar o disminuir la misma. Palabras clave: Conversor AC/AC, Arduino. I. INTRODUCCIÓN Una nueva generación de convertidores de potencia AC-AC monofásicos y trifásicos con más conmutaciones por ciclo medio se ha propuesto para la alimentación 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 conmutación. [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 energía. Existen dos ventajas principales en la implementación 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 ángulo 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 monofásicos Conversores trifásicos Tanto los conversores monofásicos como los trifásicos 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 simétrico Control de fase diferencial Control por ciclo integral Troceador AC El control de fase puede implementarse con dispositivos como: dos SCR´s en antiparalelo, un TRIAC, dos GTO´s, transistores. [3] El presente documento describe el diseño e implementación de un conversor monofásico AC-AC ya que se trabaja con la red eléctrica de 120V, tanto en la señal de entrada como salida, controlado por fase directo por medio de SCR’s donde se realiza la conexión del voltaje de red en cualquier punto de la semionda de forma sincronizada, para controlar el ángulo 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. DISEÑO El sistema descrito a continuación, consta de un controlador, el cual determina el ángulo 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

Upload: electroz3l6

Post on 27-Sep-2015

26 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Conversor AC-AC con Control de Fase Directo en lazo cerrado aplicado a carga resistiva.

TRANSCRIPT

  • 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

    mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
  • 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