Diseo y construccin convertidor AC

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Diseño y construcción
de un convertidor controlado CA-CD monofásico
Por:
Luis Carlos García Alfaro
A01693
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Diciembre del 2005
Diseño y construcción de un convertidor
controlado CA-CD monofásico
Por:
Luis Carlos García Alfaro
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Luis Gólcher Barguil, M.Sc.
Profesor Guía
_________________________________
Ing. Max Ruiz Arrieta
Profesor lector
_________________________________
Ing. José Luis Castro Aguilar
Profesor lector
ii
DEDICATORIA
Primeramente a Dios, por haberme dado las fuerzas para siempre luchar hasta el final con
éxito.
A Mami y Papi por el apoyo, el esfuerzo, muchos sacrificios, consejos, paciencia y el
cariño que me han brindado a lo largo de mi vida. Han sido y serán un gran ejemplo para
mí.
A Cristian G., Rolo y al Chino, por el esfuerzo y apoyo en el estudio.
Finalmente al Ing. Luis Gólcher y al Ing. Jose Luis Castro por el apoyo y la gran ayuda
brindada para la realización del presente proyecto.
iii
RECONOCIMIENTOS
Al Ing. Jose Luis Castro, por su ayuda incondicional al proyecto y el gran aporte de
conocimientos y mucha dedicación.
MUCHISIMAS GRACIAS
iv
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS..................................................................................vii
RESUMEN.................................................................................................... viii
CAPÍTULO 1: Introducción ...........................................................................1
1.1
Objetivos........................................................................................................................1
1.1.1 Objetivo general.................................................................................................1
1.1.2 Objetivos específicos .........................................................................................1
1.2 Metodología ...................................................................................................................1
CAPÍTULO 2: Tiristores SCR’s.....................................................................2
2.1 . Introducción ..............................................................................................................2
2.2. Características de los tiristores .....................................................................................2
2.3 Activación y apagado del tiristor ...................................................................................5
2.4 Aplicaciones de los tiristores SCR.................................................................................5
CAPÍTULO 3: Rectificadores Controlados...................................................7
3.1
3.2
Introducción ...................................................................................................................7
Principio de operación de un semi-convertidor monofásico .........................................7
CAPÍTULO 4: Diseño del circuito convertidor CA-CD monofásico. .......10
4.1. Circuito fuente de alimentación lineal. ........................................................................10
4.1.1. Transformador reductor ...................................................................................10
4.1.2. Rectificador......................................................................................................11
4.1.3. Filtrado.............................................................................................................11
4.1.4. Regulación .......................................................................................................11
4.2. Circuito semiconvertidor monofásico..........................................................................12
4.3. Circuito microcontrolador PIC16F648 ........................................................................14
4.4. Circuito lectura de voltaje DC .....................................................................................15
4.5. Circuito lectura de corriente DC..................................................................................17
CAPÍTULO 5: Programación del PIC16F648 ............................................18
5.1. Introducción .................................................................................................................18
5.2. Síntesis del programa...................................................................................................19
5.2.1.
Interrupción por sincronía.....................................................................................20
5.2.2.
Interrupción por TMR0.........................................................................................20
5.3. Tiempo de ocurrencia de interrupciones......................................................................24
5.4. Calculo k_TMR0 .........................................................................................................24
v
CAPITULO 6: Dificultades técnicas y mejoras al proyecto. .....................26
CAPITULO 7: Conclusiones y Recomendaciones ......................................28
BIBLIOGRAFÍA............................................................................................30
APÉNDICES...................................................................................................31
Manual de diseño y construcción de un convertidor controlado AC-DC monofásico. ........31
Programa...............................................................................................................................39
Aplicación Comercial ...........................................................................................................42
ANEXOS: HOJAS DE FABRICANTE .......................................................43
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Símbolo del tiristor y tres uniones pn................................................................2
Figura 2.2 Curva característica v-i del tiristor. ...................................................................4
Figura 3.1 Circuito semiconvertidor monofásico ...............................................................8
Figura 3.2 Formas de onda. ................................................................................................9
Figura 4.1 Diagrama de bloques: Fuente de alimentación lineal......................................10
Figura 4.2 Circuito fuente de alimentación ......................................................................12
Figura 4.3 Circuito semiconvertidor monofásico .............................................................13
Figura 4.4 Circuito externo del PIC16F648......................................................................15
Figura 4.5 Red de resistencias ..........................................................................................16
Figura 4.6 Amplificador para lectura de voltaje DC ........................................................16
Figura 4.6 Circuito amplificador para lectura de corriente DC ........................................17
Figura 5.1 (a) pulso de conmutación del transistor T3 ......................................................18
(b) Onda voltaje rectificado ..............................................................................................18
Figura 5.2 PIC16F648.......................................................................................................20
Figura 5.3 Diagrama de flujo: Ciclo Principal..................................................................21
Figura 5.4 Diagrama de flujo: Ciclo de interrupciones ....................................................22
Figura 5.5 Diagrama de flujo: (a) interrupción por TMR0; (b) interrupción por sincronía
..........................................................................................................................................23
Figura 5.6 Onda voltaje rectificado ..................................................................................25
vii
RESUMEN
En el presente proyecto se hace una descripción de la teoría de los convertidores ACDC controlado monofásico explicando las características de operación, control de
compuerta y aplicaciones de su elemento principal, los tiristores. Luego se estudia el
principio de funcionamiento y las características de los rectificadores controlados, así como
sus aplicaciones. Seguidamente se realiza la etapa de diseño aplicando toda la teoría y
finalmente se implementa el convertidor donde se resalta las dificultades técnicas, así como
las recomendaciones y mejoras al proyecto.
Se realizó en el periodo de pruebas, un análisis de las ondas de salida para diferentes
valores del ángulo de disparo y se comprobó el correcto funcionamiento del convertidor
mediante una comparación con la teoría. La principal variable del proyecto fue el ángulo de
disparo α, variable encarga de regular el voltaje de salida y por ende la potencia
suministrada al motor de CD.
Como anexo al proyecto, se suministra un manual de diseño y construcción de un
convertidor AC-DC controlado monofásico, así como las hojas de fabricante de los
componentes utilizados en su construcción.
Como resultado de este proyecto se pudo comprobar que el diseño es algo muy simple
a nivel teórico pero a la hora de implementarlo en la práctica es más complicado de lo que
parece pero aun así el convertidor funcionó de la manera esperada manejando y
controlando la velocidad de un motor de CD.
viii
CAPÍTULO 1: Introducción
1.1 Objetivos
1.1.1
Objetivo general
Diseñar e implementar un rectificador controlado monofásico a partir de elementos
disponibles en el mercado con el fin de realizar un control de fase en voltaje como base
para la creación de un laboratorio para el curso de electrónica de potencia.
1.1.2
•
Objetivos específicos
Estudiar las características de operación y el control de compuerta de los tiristores
controlados por fase (o SCR).
•
Comprender el principio de funcionamiento y las características de los
rectificadores controlados.
•
Definir el tiempo que se debe dedicar a la implementación de un laboratorio de este
tipo.
•
Definir la lista de materiales necesarios para la implementación del laboratorio.
•
Enumerar las posibles dificultades técnicas que se encuentran al implementar
circuitos de convertidores AC-DC monofásicos.
•
Diseñar un circuito demo mediante un puente monofásico controlado con tiristores
SCR.
•
Construcción de este circuito demo.
1.2 Metodología
La metodología empleada para la realización del presente proyecto es experimental
apoyada en bases teóricas. El objetivo principal es el diseño y construcción de un
convertidor CA-CD monofásico para controlar un motor de CD y finalmente la elaboración
de un manual para la realización de dicho experimento en un futuro laboratorio para el
curso de electrónica de potencia.
1
CAPÍTULO 2: Tiristores SCR’s
2.1 .
Introducción
Un tiristor es un dispositivo semiconductor de potencia. Se usan mucho en circuitos
electrónicos de potencia. Se manejan como conmutadores biestables, pasando de un estado
no conductor a un estado conductor. Los tiristores son interruptores o conmutadores ideales
en muchas aplicaciones.
En comparación con los transistores, los tiristores tienen menores pérdidas por
conducción en estado encendido y mayor manejo de potencia. Por otra parte, los
transistores tienen en general mejor funcionamiento en conmutación, por su mayor
velocidad y menores pérdidas de conmutación. Actualmente se hacen progresos continuos
para obtener dispositivos con lo mejor de ambos, es decir, bajas pérdidas en estado de
encendido y mejor funcionamiento en conmutación.
2.2. Características de los tiristores
Un tiristor es un dispositivo semiconductor con cuatro capas de estructura pnpn con
tres uniones pn. Al igual que los diodos, los tiristores tienen terminales ánodo y cátodo, sin
embargo estos últimos integran una tercera terminal, denominada compuerta, la cual es
utilizada para controlar la operación del dispositivo. La figura 2.1 muestra el símbolo del
tiristor y una sección recta de tres uniones pn.
Figura 2.1 Símbolo del tiristor y tres uniones pn.
2
3
Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J1 y
J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá
una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en
condición de bloqueo directo o en estado apagado y la corriente de fuga se llama corriente
en estado apagado. La resistencia dinámica en estado de bloque es de 100kΩ o más.
Si aumentamos el voltaje de polarización inversa VAK se incrementa a un valor lo
suficientemente grande, la unión J2 polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se
conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de
avalancha directa VBO. Dado que las uniones J1 y J3 están polarizadas directamente, hay un
flujo libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente
anódica directa. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o estado
encendido.
En estado encendido, la resistencia dinámica del SCR es típicamente 0.01 a 0.1Ω y
la caída de voltaje va a ser la caída óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo
común 1V.
La corriente anódica debe ser mayor que un valor conocido como corriente de
retención IL, a fin de mantener el flujo necesario de portadores a través de la unión; de lo
contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición
de bloqueo. La corriente de retención IL, es la corriente anódica mínima requerida para
mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de haberse activado y
retirado la señal de la compuerta. En la figura 2.3 se muestra la curva característica v-i del
tiristor.
4
Figura 2.2 Curva característica v-i del tiristor.
Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducción y no
hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión
J2 no existe una capa que evite el movimiento libre de portadores. Sin embargo si se reduce
la corriente en sentido directo del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de
mantenimiento IH , se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J2 debida al
número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La
corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de
retención IL. La corriente de mantenimiento IH es la corriente anódica mínima para
mantener el tiristor en estado de encendido.
Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, la unión J2
tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es
similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor
5
estará en estado de bloqueo y pasará por él una corriente de fuga, conocida como corriente
de fuga inversa IR.
2.3
Activación y apagado del tiristor
Un tiristor se puede encender aumentando el voltaje VAK en sentido directo a más
de VBO, pero esta forma de encendido podría ser destructiva. En la práctica, el método más
común para disparar un tiristor es la aplicación de una corriente de compuerta aplicando un
voltaje positivo entre las terminales de la compuerta y el cátodo. De esta forma el voltaje
en sentido directo se mantiene menor que VBO dado que al aumentar la corriente de
compuerta, disminuye el voltaje de bloqueo en sentido directo. Los niveles de voltaje y
corriente de disparo en la compuerta deben tener un rango de valores comprendidos dentro
de una zona de disparo de seguridad. Si se sobrepasa ese límite puede no activarse el tiristor
o puede dañarse el dispositivo. El valor de la corriente de disparo es del orden de los
miliamperios.
Una vez encendido el tiristor, la señal de compuerta debe retirarse. La duración de
esta señal varía entre 1 a 3μs para tiristores comerciales, aunque para aplicaciones
especiales se fabrican tiristores con valores por debajo de los 100ns. Una señal de
compuerta continua aumentaría la pérdida de potencia en la unión de la compuerta. Dado
que la corriente anódica es mayor que la corriente de retención IL, el tiristor continuará
conduciendo.
Un tiristor en estado encendido, se comporta como un diodo conductor, y no hay
control sobre el dispositivo. El dispositivo no se puede desactivar mediante otro pulso en la
terminal de compuerta. Hay varias técnicas para apagar un tiristor. En todas las técnicas de
conmutación la idea es reducir la corriente anódica en sentido directo hasta un valor
inferior a la corriente de mantenimiento IH.
2.4 Aplicaciones de los tiristores SCR
Esta clase de tiristores suele funcionar a frecuencia de línea (60Hz) y se apaga por
conmutación natural cuando se trabaja en corriente alterna. El voltaje en estado de
encendido varía normalmente desde unos 1.15V para aplicaciones a 600V hasta 2.5V para
6
dispositivos de 4000V. En años recientes han sido diseñados tiristores SCR para controlar
potencias tan altas de hasta 10 MW y con valores individuales tan altos como de 5500 A a
1200 V.
Debido a su bajo costo, alta eficiencia, robustez y especificación de alto voltaje y
corriente, estos tiristores se usan mucho en los convertidores CA-CD. También se usan en
casi todas las transmisiones de CD en alto voltaje y en muchas aplicaciones industriales
tales como:
•
Control de relevadores.
•
Propulsores de velocidad variable.
•
Interruptores estáticos.
•
Control de motores.
•
Recortadores, Inversores y Cicloinversores.
•
Cargadores de baterías.
•
Circuitos de protección.
•
Control de potencia en calefactores eléctricos.
En la mayoría de estas aplicaciones mencionadas con anterioridad la idea principal
de la utilización de tiristores es para regulación de potencia y para esto se utilizan dos
tiristores en antiparalelo para que cada uno conduzca en un ciclo de alternancia. Cuando el
tiristor en disparado en el comienzo del ciclo (aproximadamente a 0º), los tiristores
conducen aproximadamente 360º y esto ocasiona una transmisión de máxima potencia a la
carga. En cambio, cuando uno de los tiristores es disparado cerca del pico positivo, los
tiristores conducen 180º y esto produce una transmisión menor de potencia a la carga. A
través de ajustes en el circuito de disparo, el accionamiento de los tiristores puede retrasarse
y así obtener una transmisión variable de potencia monofásica.
CAPÍTULO 3: Rectificadores Controlados
3.1
Introducción
Como ya es sabido los diodos rectificadores proporcionan sólo un voltaje de
salida fijo. Para obtener voltajes de salida controlados, se usan tiristores con control
de fase en lugar de diodos. El voltaje de salida de los rectificadores de tiristor se varía
controlando el ángulo de retardo α. Como ya se explico en el capítulo anterior el
tiristor se activa aplicando un pulso corto a su compuerta y se desactiva por
conmutación natural.
Estos rectificadores controlados por fase son sencillos y menos costosos, y su
eficiencia es, por lo general, superior al 95%. Como convierten de corriente alterna a
corriente directa, a estos rectificadores controlados se le llama también convertidores
CA-CD.
El objetivo se este proyecto es diseñar y construir un convertidor controlado
CA-CD monofásico para manejar un motor de corriente directa. Esta carga es
considerada altamente inductiva por lo tanto la corriente que fluye a través de los
tiristores es continua y tiene un rizado despreciable.
3.2
Principio de operación de un semi-convertidor monofásico
El arreglo del circuito de un semi-convertidor monofásico se ve en la Figura
3.1, con una carga altamente inductiva. La corriente de carga es continua. Durante el
semiciclo positivo, T1 está polarizado directamente. Cuando T1 se dispara en ωt=α, la
carga se conecta a la alimentación de entrada a través de T1 y D2 durante el período
α≤ ωt ≤ π. Durante el período π≤ t ≤ (π+α), el voltaje de entrada es negativa y el
diodo de libre circulación Dm (freewheel diode) 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 ωt=π+α invierte la polarización
7
8
de Dm. El diodo Dm se desactiva y la carga se conecta a la alimentación a través de T2
y D1.
Durante los períodos 0≤ ωt ≤ α y π≤ t ≤ (π+α) 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.
Figura 3.1 Circuito semiconvertidor monofásico
La Figura 3.2 muestra las formas de onda del voltaje de entrada, voltaje de
salida, las corrientes por T1, T2, D1, D2, corriente de entrada, corriente de salida y la
corriente por Dm.
El voltaje promedio de salida se puede calcular con:
π
2
2
ω
ω
=
Vcd =
V
sen
t
d(
t
)
[ - cos ωt ]απ
m
∫
2π α
2π
=
Vm
(1 + cos α )
π
y Vcd se puede variar desde 2Vm/π hasta 0, variando α de 0 a π.
9
Figura 3.2 Formas de onda.
10
CAPÍTULO 4: Diseño del circuito convertidor CA-CD
monofásico.
El siguiente capítulo pretende explicar cada circuito empleado en la etapa de
diseño y construcción del convertidor CA-CD monofásico. Los circuitos
implementados son los siguientes:
a. Fuente de alimentación lineal
b. Semi-convertidor monofásico
c. Microcontrolador PIC16F648
d. Amplificador lectura de VDC
e. Amplificador lectura de IDC
4.1.
Circuito fuente de alimentación lineal.
La fuente de alimentación lineal consta de elementos agrupados en 4 bloques
funcionales, estos bloques se aprecian en la Figura 4.1:
Figura 4.1 Diagrama de bloques: Fuente de alimentación lineal
4.1.1. Transformador reductor
El primer bloque es un transformador- reductor de voltaje que, como su
nombre lo indica, disminuye por inducción el voltaje. De los 120 Vca que hay en el
primario, en el secundario puede tener 12, 18 ó 24Vp-p. La fuente de alimentación
diseñada trabaja con 12Vp-p en el secundario.
11
4.1.2. Rectificador
El siguiente bloque es un rectificador de onda completa construido con
diodos, este ofrece mayor eficiencia porque aprovecha al máximo la señal del
transformador, sin embargo, este sistema tiene grandes pérdidas de energía, puesto
que sólo se aprovecha entre un 60 y 70% del voltaje; el resto se pierde en forma de
calor, disipado principalmente por el transformador y los circuitos de regulación.
4.1.3. Filtrado
El filtrado, que es la tercera etapa de la fuente alimentación lineal, este se
realiza mediante un capacitor de 470μF. En esta etapa se presenta la primera
aproximación hacia una señal de corriente directa, una señal de voltaje con un rizado
de 1Vp-p. La señal queda prácticamente continua y lista para que mediante el
regulador de voltaje se obtenga de ella la señal de corriente directa que se desee.
4.1.4. Regulación
En el último bloque, el regulador de voltaje, se encarga de reducir el rizado y
de proporcionar un voltaje de salida de la tensión exacta que se desea. El regulador es
un encapsulado de tres terminales (de la familia 78XX). Su característica principal es
que la tensión entre los terminales Vout y GND es de XX voltios y una corriente
máxima de 1A.
Las ideas básicas de funcionamiento de un regulador de este tipo son:
1. La tensión entre los terminales Vout y GND es de un valor fijo, no variable,
que dependerá del modelo de regulador que se utilice.
2. La corriente que entra o sale por el terminal GND es prácticamente nula.
Funciona simplemente como referencia para el regulador.
12
Para el presente proyecto el voltaje deseado es 5Vdc por lo tanto el regulador
empleado es el 7805, estos 5V dan alimentación a los tiristores y demás circuitos
incluido el microcontrolador.
La Figura 4.2 muestra el circuito de la fuente de alimentación diseñado para el
proyecto, en el se aprecia los diferentes bloques funcionales, incluido un diodo
1N4007 (D6) para separar la onda rectificada y la onda con poco rizado producida
por el capacitor (C6), esto con la idea de detectar el cruce por cero; un capacitor
(C11) de 0.1uF, que el fabricante de reguladores lo recomiendo ( ver Anexos hoja de
fabricante del LM7805) porque agrega estabilidad al regulador, absorbiendo las
variaciones de voltaje producido por conmutación de circuitos digitales y por último
un pequeño circuito con un filtro RC, un divisor de tensión y un transistor 2N2222.
Este circuito es el encargado de detectar el cruce por cero de la señal rectificada y por
conmutación del transistor se envía un pequeño pulso al pin 6 del microcontrolador.
La función de este pulso de expondrá más adelante en este capítulo.
Figura 4.2 Circuito fuente de alimentación
4.2.
Circuito semiconvertidor monofásico
La Figura 4.3 muestra el circuito semiconvertidor monofásico. El principio de
operación de dicho circuito se trata en el capítulo 3.
13
La activación de los tiristores T1 y T2 se da por medio de dos optotriacs
conectados al pin10 del microcontrolador en alta impedancia y por medio de dos
resistencias R1 y R2 limitadoras de corriente. Se utilizan optotriacs para aislar la parte
electrónica de la parte de potencia. D3 es el diodo de libre circulación por donde se
va a descargar la corriente del motor conectado en los terminales +DCSAL y –
DCSAL cuando T1 y T2 se encuentren apagados. En los terminales +IDC y –IDC se
conecta un amperímetro de corriente directa.
Con respecto al puente de diodos presente en el circuito, dos diodos forman
parte del semi-convertidor y los restantes dos son para fines didácticos, si se conecta
un osciloscopio en las terminales OCOM
y –DCSAL se puede apreciar una
rectificación de onda completa.
Los diodos D1 y D2 son diodos de protección para prevenir la circulación de
la corriente en sentido inverso y por ultimo el diodo D4 también es para fines
didácticos, si se conecta el osciloscopio en las terminales MEDO y -DCSAL se
aprecia una rectificación de media onda.
Figura 4.3 Circuito semiconvertidor monofásico
14
4.3.
Circuito microcontrolador PIC16F648
La Figura 4.4 muestra el circuito externo para el correcto funcionamiento del
microcontrolador. En dicha figura se indican los pines a utilizar, y el circuito para la
comunicación con la computadora.
La manera más sencilla para transferir datos entre el microcontrolador y la PC
u otro dispositivo es por medio de la comunicación RS-232. RS-232 significa
literalmente "Recommended Standard 232 ". Es un estándar publicado en 1969 por la
EIA ("Electronic Standard Association") que define las características eléctricas que
deben presentar los elementos de conexión para la comunicación serie entre
computadoras y equipos periféricos. Es una conexión entre un Equipo Terminal de
Datos DTE ("Data Terminal Equipment"), y un Equipo de Comunicación de Datos
DCE ("Data Communication Equipment") empleando un intercambio de datos
binario serie. Esta comunicación serie es asíncrona por eso se requieren dos líneas
independientes, transmisión (TX) y recepción (RX); esta transferencia de datos se
realiza por medio de un dispositivo interfaz el MAX 232 y luego con conectores
DB9. La función del MAX232 es adjustar los niveles de señal del lado del
microcontrolador (convierte niveles de voltaje RS232 +/- 10V a niveles TTL 0-5V y
viceversa). En la figura 4.4 se muestra la configuración para el funcionamiento del
MAX232.
La resistencia R4 es una resistencia de pull-up. Esta resistencia se debe colocar
en este pin (pin 4) debido a la función interna MCLR (Master Clear) que es un reset
para el microcontrolador que se activa en bajo, por lo tanto, necesita estar en alto para
el funcionamiento normal del micro.
El pin 1 es una entrada analógica que lee el valor del potenciómetro 1, este
define el tiempo para el disparo de los tiristores.
El pin 6 recibe la señal del pulso del transistor detector del cruce por cero.
En el pin 15 y 16 del microcontrolador se encuentra conectado un oscilador de
cristal externo de 20MHz, que para efectos de esta aplicación no será utilizado.
15
También hay que recordar que VDD = +5V y VSS = GND.
Figura 4.4 Circuito externo del PIC16F648
4.4.
Circuito lectura de voltaje DC
El circuito de lectura de voltaje DC es un amplificador seguidor de voltaje en
conjunto con una red de resistencias que disminuyen un alto voltaje de 200Vcd a bajo
voltaje 5Vcd como se aprecia en la Figura 4.5.
En la Figura 4.6 se muestra el circuito completo que toma en cuenta un diodo
zener D7 que limita el voltaje, por aquello que una de las resistencias de 20k se
queme y un alto voltaje queme el amplificador operacional. El capacitor C5 es un
filtro para obtener una mejor lectura, el potenciómetro POT2 es un potenciómetro de
calibración y D5 es un diodo de protección. Finalmente a la salida del seguidor de
voltaje se coloca un filtro RC para obtener precisión en la lectura.
16
A la salida del amplificador se obtiene un voltaje de 0Vcd a 5Vcd; o sea que
si a la salida hay 5Vcd esto equivale a 200Vcd) por lo tanto por medio del
convertidor analógico- digital se obtiene un rango de voltaje digital de 0 a 256 debido
a la utilización de la conversión de 8 bits.
Figura 4.5 Red de resistencias
Figura 4.6 Amplificador para lectura de voltaje DC
17
4.5.
Circuito lectura de corriente DC
El circuito de lectura de corriente DC es un amplificador no inversor con
ganancia 4.
Av = 1+
R17
90k
= 1+
= 10
R18
10k
Debido a que los amplificadores operacionales no pueden amplificar
corriente, se emplea una resistencia de 0.1Ω para obtener un voltaje de 0.5V en la
patilla positiva del amplificador operacional y con una ganancia de 10 se obtiene un
voltaje de 5V a la salida.
De esta manera si se obtienen 5V a la salida del amplificador equivale a 5A
(5V → 5A). De igual manera que el circuito de lectura de voltaje, por medio del
convertidor analógico- digital se obtiene un rango de voltaje digital de 0 a 256 debido
a la utilización de la conversión de 8 bits lo que equivale a una corriente de 0 a 5A.
En el circuito también se aprecia un filtro RC (R16 y C10) a la salida para
obtener una lectura precisa así como el capacitor C9 que también es un filtro.
Figura 4.6 Circuito amplificador para lectura de corriente DC
18
CAPÍTULO 5: Programación del PIC16F648
5.1.
Introducción
El presente capítulo tiene como objetivo explicar el programa realizado para
disparar los tiristores, así como una explicación del diagrama de flujo y pines del PIC
habilitados.
Como se trató en el capitulo 2 y 3, los tiristores poseen una tercera terminal,
denominada compuerta, la cual es utilizada para controlar la operación del
dispositivo. El control se realiza por medio de un pulso corto a la compuerta. Este
pulso se puede activar en cualquier tiempo ωt = α. De esta manera variando el ángulo
de retardo α se obtiene una regulación de potencia.
Para activar los tiristores es necesario primeramente detectar el cruce por cero
de la onda rectificada, para así poder disparar los tiristores en un tiempo ωt = α
contado a partir del cruce por cero. La detección de cruce por cero se da por medio de
un pulso debido a la conmutación del transistor T3. Este pulso de conmutación se
aprecia en la Figura 5.1 (a)
(a)
(b)
Figura 5.1 (a) pulso de conmutación del transistor T3
(b) Onda voltaje rectificado
19
La onda rectificada mostrada en Figura 5.1 (b) se divide en 256 intervalos o
posiciones. Se define el angulo de disparo α = controlfase. Este angulo de disparo se
varía con dos botones, el primero conectado en el pin AN2 aumenta α, el segundo
botón conectado en el pin AN3 disminuye α. De esta forma se calcula un tiempo ωt =
β (Βeta) definido como:
Beta = 255 – controlfase
Esto aun no es suficiente para activar los tiristores, por lo tanto se define una
nueva variable COUNTDOWN, a esta variable se le carga el valor de α,
COUNTDOWN = α. COUNTDOWN es un contador regresivo que avanza por las
posiciones de la onda hasta el valor del angulo de disparo α. Cuando este contador
regresivo llega a cero activa los tiristores.
5.2.
Síntesis del programa
El programa tiene como función activar los tiristores en un tiempo ωt = α
después del cruce por cero de la onda rectificada por medio de dos interrupciones. En el
modo normal el micro ejecuta el ciclo del programa principal siempre y cuando no
ocurra un llamado de alguna interrupción. En el momento en que se da una interrupción
el micro detiene la ejecución del programa principal y empieza la ejecución de la
subrutina de interrupción.
El programa principal calcula el ángulo de disparo definido por los botones de
la siguiente manera:
Beta = 255 – controlfase
También mediante una subrutina cada 0.1seg el programa toma lectura del
valor de voltaje VDC y la corriente directa IDC que circula por el motor DC y los
transmite por puerto serie para desplegarlos en pantalla.
El programa principal tambien presenta un rutina de aceleración del motor,
esto porque el motor de CD cuando arranque tiene una corriente IA muy alta dado que
solo es limitada por RA, esto podría dañar los tiristores.
20
5.2.1. Interrupción por sincronía
La detección del cruce por cero es por medio de un pulso positivo debido a la
conmutación del transistor T3. Esta señal de sincronía provoca una interrupción
debido al cambio de estado en el pin RB0/INT. La subrutina de interrupción de
sincronía carga el valor de la cuenta regresiva COUNTDOWN y activa el semáforo,
que no es más que una bandera de aviso de que se dio una interrupción por sincronía
y provoca un llamado a la subrutina de interrupción TMR0.
5.2.2. Interrupción por TMR0
Esta interrupción carga una constante k_TMR0 para el contador. Esta
constante es la que produce el ciclo de esta interrupción por desborde. También
verifica si countdown = 0 para activar los tiristores poniendo en bajo la salida del pin
RB4 donde están conectados los tiristores.
Figura 5.2 PIC16F648
21
Figura 5.3 Diagrama de flujo: Ciclo Principal
22
Interrupciones
Interrupción
por TIMER0
(TOIF?)
Cada 32us
160 pulsos de 0.2us
SI
(5MHz)
NO
Interrupción
por
sincronía
(INTF?)
Interrupción
por
TIMER0
SI
Cada 8.333ms
(120Hz)
NO
Interrupción
por sincronía
RETL
Interrupción
Figura 5.4 Diagrama de flujo: Ciclo de interrupciones
23
Interrupción por
TMR0
- Recargar TIMER0 con la constante
(255-160) k_TMR0 ← 95
- Borrar la bandera de TIMER0
TOIF ← 0
NO
COUNTDOWN == 0
Decrementar en 1
COUNTDOWN
SI
Disparar Tiristores
RB4 ← 0
RETURN
(a)
(b)
Figura 5.5 Diagrama de flujo: (a) interrupción por TMR0; (b) interrupción por sincronía
24
5.3.
Tiempo de ocurrencia de interrupciones
La onda rectificada de 120Hz se divide en 256 intervalos. El período de la onda es de:
T=
1
= 8.333ms
120Hz
Por lo tanto si se divide este período en 256 intervalos, cada intervalo sería de 32μs.
8.333ms
= 32μs
256
Por lo tanto la subrutina de interrupción de TMR0 ocurre cada 32μs para ubicar el
ángulo de disparo deseado.
La subrutina de interrupción por sincronía ocurre cada 8.333ms, tiempo en el que
ocurre cada cruce por cero de la onda rectificada. La figura 5.6 muestra la onda
rectificada con f =120Hz.
5.4.
Calculo k_TMR0
Se utiliza una frecuencia para el reloj interno del μc de 5MHz.
T=
1
= 0.2μs
5MHz
Por lo tanto el μc puede realizar 160 instrucciones en 32μs: 160*0.2μs=32μs.
Para que se produzca una interrupción por desborde y se realize la subrutina cada
32μs la constante k_TMR0 se carga con un valor de 95.
95+160 = 255
De esta manera 160 instrucciones despues (32μs) se produce un desborde y por lo
ende una interrupción por desborde del TIMER0.
25
Figura 5.6 Onda voltaje rectificado
26
CAPITULO 6: Dificultades técnicas y mejoras al proyecto.
En el proceso de construcción del convertidor se presentaron varias
dificultades, las cuales deben ser citadas:
1. Inicialmente el diseño del convertidor incluía sensorizar el circuito, la idea
era utilizar dos circuitos amplificadores uno de corriente DC y otro de
voltaje DC y a la salida de los amplificadores obtener una lectura para
enviar al PIC16F648 y con el convertidor analógico-digital, traducir esta
lectura a un valor de 0-256, para desplegar en la computadora dicho valor
de corriente y voltaje. Pero el PIC16F648 no tiene convertidor analógicodigital, lo que posee son comparadores de 4bits, lo que conlleva a una gran
imprecisión en las lecturas de voltaje y corriente. Por lo tanto no se
implemento estos circuitos.
Como mejora al proyecto se podría implementar los circuitos
amplificadores ya explicados, emplear un convertidor ADC externo
0831CCN y utilizar la función I2CREAD del PIC16F648, y el bus I2C que
es un estándar de comunicación bidireccional de 2 líneas: SDA (Serial
Data) y SCL (Serial Clock), entre circuitos integrados (convertidores
ADC, memorias EEPROM.)
2. Debido a la ausencia de un ADC interno en el PIC16F648 se tuvo que
cambiar la idea inicial de utilizar un potenciómetro para controlar el
ángulo de disparo de los tiristores, y por ende se utilizaron dos botones,
uno para aumentar α y otro para disminuir α por medio de software
cuando se presionaba los botones.
3. Una tercera dificultad se presento en software con el cálculo de la
constante k_TMR0. Inicialmente se calculó k_TMR0= 95, pero el
PICBASIC atrasa la ejecución de la interrupción por desborde, finalmente
27
se calculó en 130. Esto estaba generando problemas en el disparo de los
tiristores porque la interrupción por desborde no estaban sucediendo en el
momento preciso.
Otras mejoras al proyecto que son interesantes de realizar son:
•
Sensor de velocidad ENCODER
Utilizando sensores infrarrojos (receptor- emisor) y un disco con un
1mm de ancho con 60 agujeros colocado en el eje del rotor, se puede
lograr medir la velocidad de giro del motor en revoluciones por
minuto.
•
En software
La aceleración del motor puede comportarse de otra manera, en este
caso fue lineal pero puede ser exponencial o logarítmica. También se
puede monitorear la corriente DC para que no sobrepase cierto límite o
que se mantenga en un rango de valores.
28
CAPITULO 7: Conclusiones y Recomendaciones
Hasta hace algunos años la circuitería de microprocesadores no trabajaba con
circuitería de potencia, fue hasta la introducción de los variadores de frecuencia, que
estas dos áreas trabajaron en conjunto. Hoy en día estas dos áreas van de la mano, tan
es así que existen microprocesadores PIC exclusivos para el manejo y control de
motores. Este proyecto comprobó que la electrónica de potencia ha ayudado a que
estas dos áreas tan distintas se complementen.
Al finalizar el presente proyecto existen varios aspectos que deben ser
mencionados:
•
Es de suma importancia seguir los pasos del proceso de diseño y
construcción del convertidor controlado CA-CD monofásico, se pudo
comprobar que el diseño es algo muy simple a nivel teórico pero a la
hora de implementarlo en la práctica es más complicado de lo que
parece.
•
Debido a que existen redes de voltaje y corriente diferentes, es
necesario aislar la tierra de potencia y la tierra de bajo voltaje. Se tuvo
la experiencia a la hora de las pruebas, utilizando una misma tierra,
que
la
parte
de
potencia
afectaba
el
funcionamiento
del
microprocesador y no trabajaba como se deseaba. Este problema de
solucionó utilizando tierras separadas.
•
Es necesario un aislamiento entre el circuito de potencia y el circuito
electrónico. La utilización de optotriacs para este aislamiento es
sencillo y muy efectivo.
•
En software se recomienda realizar una rutina de aceleración del
motor. Esto porque el motor de CD cuando arranque tiene una
corriente IA muy alta dado que solo es limitada por una resistencia de
armadura RA, y esta corriente de arranque tan alta podría dañar los
tiristores.
29
•
El PIC16F648 tiene 8 configuraciones para el oscilador, utilizar un
oscilador externo RC de 20MHz es una solución efectiva y de bajo
costo.
Se incluye en Apéndices una aplicación comercial de un convertidor
controlado AC-DC monofásico: Payne Engineering MODEL36D/E DC OUTPUT
POWER CONTROLS. Dicho convertidor se utiliza para manejar cargas DC
resistivas e inductivas. Entre las características mas importantes asociadas al presente
proyecto se pueden citar:
•
El circuito de potencia usa un puente de tiristores SCR’s y diodos con un
diodo de libre circulación (“Free-wheeling diode”).
•
El circuito de control de compuerta se realiza mediante pulsos de disparo por
medio de un aislamiento con transformadores de pulso para cada tiristor.
•
El control del ángulo de disparo es manual y utiliza un potenciómetro de 2
Watts y 75kΩ.
30
BIBLIOGRAFÍA
Libros:
1. Matic, Nebojsa. “BASIC for PIC microcontrollers”, MikroElektronika
Editorial, Yugoslavia, 2001.
2. Rashid, Muhammad. “Electrónica de Potencia”, 3era edición, Pearson
Educación, México, 2004.
Páginas web:
3. Díaz, Carlos. “Orientación para el diseño de fuentes de alimentación”
http://perso.wanadoo.es/chyryes/tutoriales/archivos/fuentes.pdf
4. “I2C Function Background” http://www.totalphase.com/support/articles/article01/
5. “Tecnologías del PC: El estándar RS-232” http://www.zator.com/Hardware/H2_5_1.htm
6. “Tema 5. Tiristores.” http://www.gte.us.es/~leopoldo/Store/tsp_5.pdf
7. “Tema 13. Rectificadores Controlados” http://www.gte.us.es/~leopoldo/Store/tsp_13.pdf
APÉNDICES
Manual de diseño y construcción de un convertidor controlado AC-DC
monofásico.
En este apartado se expone de manera detallada el proceso de diseño y construcción
del convertidor CA-CD monofásico para manejar un motor de corriente directa.
Toda la diagramación del circuito se hizo utilizando el programa EAGLE 4.15 que
es de licencia gratuita para fines didácticos. Dicho programa puede ser bajado de la
siguiente dirección www.cadsoft.de/freeware.htm.
Con este programa se puede crear tanto el diagrama del circuito como el circuito
impreso. El paso del diagrama al circuito impreso se realiza con un simple clic en el
botón
, el usuario ordena los componentes a su gusto y finalmente ejecuta el
autoenrutado o sí prefiere puede realizar el enrutado manualmente.
Otra de las características importantes de este programa es que permite hacer un
listado de los componentes utilizados en la construcción del convertidor, exportándola a un
documento que puede ser tanto de texto como de Excel.
A continuación se muestra el circuito completo y la lista de componentes.
31
CIRCUITO
TO COMPLETO RECTIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO
32
Lista de componentes
TRAFO
B1
B2
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C9
CONDB9
D1
D2
D3
D4
D5
IC1
IC2
IC3
8 PINHEAD
7 PINHEAD
120Vac-6Vac
RECTIFIER-W06M
RECTIFIER-KBPC2506
4.7u
4.7u
4.7u
4.7u
0.1u
470u
0.1u
25pF
25pF
1N4007
1N4007
1N5408
1N5408
1N4007
16F648A
MAX232
7805T
1X2
1X1
LED1
LED2
LED3
OPTOTRIAC1
MOC3023
OPTOTRIAC2
MOC3023
Q1
CRYSTAL 20MHz
R1
100
R2
100
R3
10k
R4
10k
R5
10k
R6
4.7k
R7
33k
R8
10k
R9
61k
R10
10k
R11
560
R12
100
R13
100
T1
2N6509
T2
2N6509
T3
2N2222
Todos los componentes anteriormente listados pueden conseguirse en cualquier
electrónica, a un precio accesible.
Una vez realizado la etapa de diseño del convertidor, se procede a realizar la etapa
de programación del microcontrolador, este programa es el encargado de disparar los
tiristores en un tiempo ωt=α y sensorizar el circuito. La programación completa del micro,
incluido la compilación y el envío al microcontrolador vía puerto serie DB9, puede ser
realizado en Code Designer – PICBasic PRO 2.45, dicho programa también es de licencia
libre y puede ser bajado de la página www.rentron.com/mcstudio/mcstudio.exe.
Todo el ensamblado del circuito puede ser montado en un placa perforada, también
adquirible en las electrónicas, de esta manera en la parte inferior de la placa se puede
realizar el proceso de soldado de los componentes y la unión de estos con cables. Es de
33
34
suma importancia realizar todas las conexiones siguiendo el siguiente diagrama para evitar
complicaciones a la hora de la implementación.
En una primera etapa del ensamblado se construye la fuente de alimentación lineal,
y se verifica que a la salida del regulador 7805 tenga 5Vdc por medio de un multímetro
digital. Estos 5Vdc serán la alimentación de toda la parte electrónica incluido el
microcontrolador, por lo tanto es de suma importancia verificar ese valor de tensión.
Seguidamente se construye el circuito detector de cruce por cero, y se verifica por
medio del osciloscopio que el pulso requerido, sea lo más cercano a 5V y de
35
aproximadamente 0.4ms - 0.5ms. Recuérdese que este pulso es el responsable de provocar
la interrupción por sincronía.
En una segunda etapa de ensamblado se monta la circuitería externa del
microcontrolador PIC16F648, incluido el circuito del MAX232 (la comunicación entre la
PC y el microcontrolador).
Los amplificadores de lectura de voltaje DC y corriente DC, se ensamblan y
se prueban que estén funcionando correctamente, en el caso del amplificador de voltaje DC
se calibra el POT2 para obtener una relación de 200Vdc a 5Vdc en la salida del
amplificador.
Para el amplificador de lectura de corriente DC, debido a que los amplificadores
operacionales no pueden amplificar corriente, se emplea una resistencia de 0.1Ω para
obtener un voltaje de 0.5V en la patilla positiva del amplificador operacional y con una
ganancia de 10 se obtiene un voltaje de 5V a la salida. Por lo tanto en el proceso de
ensamblado y de prueba se verifica que efectivamente exista una ganancia de 10.
Finalmente se ensambla la parte de potencia donde el elemento principal son los
tiristores.
Una vez finalizado el montaje de todos los componentes en la tarjeta perforada, se
programa el microcontrolador PIC16F648 por medio del cable DB9.
A continuación se realizan las pruebas para comprobar el correcto funcionamiento
del programa y de la circuiteria. Se recomienda realizar estas pruebas con una carga
resistiva, por ejemplo, un bombillo incandescente.
Utilizando los botones de control del ángulo de disparo se puede aumentar o
disminuir α y de esta manera regular la potencia de salida y por ende la intensidad del
bombillo. También con la ayuda de un osciloscopio conectado a los terminales +DCSAL y
–DCSAL se puede observar y comparar la onda de voltaje de salida (Vo) de la Figura 3.2.
para diferentes valores de α.
36
El paso final es poner en marcha el motor de corriente directa; se sustituye el
bombillo por el motor. Se realizan las pruebas y la toma de datos de Vo, Io, Psal y α.
37
38
39
PROGRAMA
'****************************************************************
'* Name
: proyecto electrico.BAS
*
'* Author : Luis Carlos García Alfaro
*
'* Notice : Copyright (c) 2005
*
'* Date
: 03/11/2005
*
'* Version : 1.0
*
'****************************************************************
OPTION_REG = %01001111 'Se activan las opciones del PIC
DEFINE OSC 20
TRISA = %10101111 'Se inicializan los puertos A
TRISB = %00000011 'Se inicializan los puertos B
'.. Se declaran las variables ..
cont_lectura VAR BYTE
semaforo
VAR BYTE
COUNTDOWN
VAR BYTE
Beta
VAR BYTE
M
VAR BYTE
K_TMR0
VAR BYTE
controlfase VAR BYTE
AnchoGate
VAR BYTE
SYMBOL tiristores = PORTB.4
'.. Valores iniciales ..
cont_lectura = 0
controlfase = 5
semaforo = 0
COUNTDOWN = 250
AnchoGate = 0
Beta = 250
M = 250
k_TMR0 = 130
INTCON = %10010000
CMCON = 7
'..potencia minima
'..constante de recarga de timer0, ciclo debe ser 32uS.
'Se habilitan las interrupciones externas GIE+INTE
'Pasa el puerto A al modo digital,
ON INTERRUPT GoTo ISR
Main:
PORTB.5 = PORTB.0
'Copia señal de sincronia 120 Hz en RB5
IF semaforo = 1 Then
'sincronizado a 120Hz
semaforo = 0
cont_lectura = cont_lectura - 1 'contador de lectura divide 120Hz/12
EndIF
IF cont_lectura = 0 Then
'Este segmento va sincronizado a 10Hz
cont_lectura = 12
'se recarga el contador de lectura
Toggle
PORTB.3
IF PORTA.2=0 Then
'.. boton para aumentar potencia
controlfase = (controlfase + 1) MIN 250 'el valor maximo de
controlfase es 250
40
EndIF
IF PORTA.3=0 Then
'.. boton para disminuir potencia
controlfase = (controlfase - 1) MAX 5
'el valor minimo de
controlfase es 5
EndIF
Beta = 255 - controlfase
'angulo beta tiene conteo para disparo
'..M es la variable que lleva el angulo con la que se disparan
' los tiristores en cada ciclo. Normalmente M es igual al angulo Beta
establecido
' con los botones. Pero cuando se mueve el potenciometro, Beta
' obtiene el nuevo valor de inmediato pero M busca igualar a Beta
' lentamente. M cambia de 1 en 1 cada 100ms.
IF M>Beta Then
M=M-1
Else
IF M<Beta Then
M=M+1
EndIF
EndIF
EndIF
GoTo Main
'M se acerca a Beta que es menor
'M se acerca a Beta que es mayor
'Repita el ciclo principal.
'..INTERRUPCIONES..
'..Atencion de las dos interrupciones del sistema.
Disable
' para impedir interrupciones durante las interrupciones
ISR:
IF INTCON.1=1 Then
GoSub INTSINCRO
EndIF
IF INTCON.2=1 Then
GoSub INTTMR0
EndIF
Resume
'cambio ocurrió en pin RB0/INT, 120 Hz
'desborde en TMR0, cada 32uS
'..Interrupcion por sincronia ocurre cada 8.33mS cuando la onda de voltaje
'..baja a 0.
INTSINCRO:
INTCON.1=0
'Borrar bandera de interrupción
COUNTDOWN = M
'Se carga la constante M en COUNTDOWN
AnchoGate = 3
' tiempo del pulso de activación 3*32us = 96us
High tiristores 'Se apagan los tiristores
semaforo = 1
'
INTCON.2 = 1
'se provoca un llamado a INTTMR0
INTCON.5 = 1
'se habilitan las interrupciones en TMR0
Toggle PORTB.7
Return
'..Temporizador TIMER0 sufre un OV y dispara una interrupcion cada 32us.
'..El ciclo de 8333us(120Hz) se divide entre 256 partes de 32us.
'..Timer0 se incrementa a 5MHz, o sea cada 0.2us.
'..160 pulsos de 0.2us hacen 32us.
'..Timer0 debe ser cargado con 255-160 = 95 en cada interrupcion.
41
INTTMR0:
TMR0 = K_TMR0
'recargar TIMER0 con una constante
INTCON.2 = 0
'Borrar bandera de interrupción por TMR0
IF COUNTDOWN = 0 Then
IF AnchoGate >0 Then
Low tiristores 'se disparan los tiristores
AnchoGate = AnchoGate - 1
Else
High tiristores 'se desactiva el pulso del gate de los tiristores
EndIF
Else
COUNTDOWN = COUNTDOWN - 1
EndIF
Toggle PORTB.6
Return
End
42
Aplicación Comercial
Payne Engineering
MODEL36D/E DC OUTPUT POWER CONTROLS
43
ANEXOS: HOJAS DE FABRICANTE