Laboratorio de Electrónica Industrial. Controladores de Voltaje de Corriente Alterna

Transcripción

1 ITESM, Campus Monterrey Laboratorio de Electrónica Industrial Depto. de Ingeniería Eléctrica Práctica 6 Controladores de Voltaje de Corriente Alterna Objetivos Particulares Conocer el principio de funcionamiento de los controladores de voltaje de CA. Entender las características de operación de los TRIACS s Describir el funcionamiento de los circuitos de sincronización y de disparo utilizados en los circuitos de control por ángulo de fase. Conocer las ventajas, desventajas y aplicaciones de los controladores de voltaje de CA utilizados en la industria. Diseñar e implementar un controlador de voltaje de corriente alterna. Introducción Si un semiconductor de potencia (tiristor) se conecta entre la alimentación de CA y la carga, es posible controlar el flujo de potencia variando el valor efectivo (RMS) del voltaje de CA aplicado a la carga. Estos circuitos son denominados controladores de voltaje de CA. Para la transferencia de potencia, normalmente se utilizan dos tipos de control: 1.- Control ON-OFF, donde los tiristores conectan la carga a la fuente de alimentación unos cuantos ciclos de voltaje de entrada y a continuación la desconectan por unos cuantos ciclos más. 2.- Control por ángulo de fase, donde los tiristores conectan la fuente de alimentación a la carga durante una porción de cada uno de los ciclos del voltaje de entrada. Los controladores de voltaje de CA se pueden clasificar en dos tipos: Controladores Monofásicos y Trifásicos. Cada uno de estos tipos se puede subdividir en: Unidireccional o control de media onda y Bidireccional o control de onda completa. Dado que el voltaje de entrada es de CA, los tiristores son conmutados en forma natural por el voltaje de línea. Normalmente se utilizan tiristores de control de fase, relativamente poco costosos y más lentos que los tiristores de conmutación rápida. Para aplicaciones hasta de 400Hz, si hay TRIAC s - 1 -

2 disponibles para llegar a la especificación de voltaje y corriente de una aplicación particular, serán los que se utilicen más comúnmente. Debido a que la conmutación es por línea o natural, no hay necesidad de circuitos adicionales de conmutación, por lo que los circuitos para los controladores de voltaje de CA son muy sencillos. Las aplicaciones más comunes de estos convertidores son: control de intensidad luminosa, calefacción industrial, control de velocidad de motores de inducción y control de los electroimanes de CA. Pre-reporte El Controlador de Voltaje de Corriente Alterna que se va a desarrollar en esta práctica consta de las siguientes etapas: Cada una de las etapas tiene las siguientes características: Etapa Reductora de Voltaje. Como su nombre lo indica esta etapa nos sirve para reducir el voltaje de entrada de 120V/60Hz y así poder manipularlo más fácilmente. La reducción de este voltaje depende de las características de diseño de su circuito. Etapa de Comparación. Como lo que nos interesa es controlar la cantidad de voltaje efectivo entregado a la carga, debemos de sincronizar con la línea (con la señal entregada por CFE), para ello necesitamos saber cuando la señal de entrada pasa por cero

3 Etapa de Temporización. Esta etapa nos entrega los pulsos de disparo que van al Optoacoplador, cambiando el ciclo de trabajo de estos pulsos de salida, se puede controlar el ángulo de disparo del TRIAC y de esta manera controlar el voltaje efectivo entregado a la carga. Una vez que ya conocemos como funcionará el circuito de esta práctica podemos pasar continuar con el pre-reporte. 1.1 Diseñe los circuitos correspondientes a las etapas Reductora, Comparadora y de Temporización, verificando el correcto funcionamiento de las mismas de acuerdo a lo anteriormente explicado. Realice los cálculos necesarios para obtener los valores de los componentes que empleará en su diseño. Realizar también una simulación del diseño que realizó, mostrando sus resultados. 2.1 El circuito que se muestra a continuación corresponde a la interfase de potencia, a la etapa de potencia y a la carga

4 Observe que le circuito de disparo utiliza lógica negativa para el encendido del TRIAC, esto es, cero lógico para encenderlo y uno lógico para apagarlo. Para este circuito se le pide investigar: Su funcionamiento. Características principales y funcionamiento de los dispositivos semiconductores empleados (TRIAC y Optoacoplador). 2.2 Calcular los valores necesarios de los elementos resistivos para la interfase de potencia, así como el valor de R G para la carga mostrada en la figura, obtenga i 1 de las hojas de especificaciones del MOC3011, i g calcularla asegurando que por esta pasará al menos la corriente mínima necesaria para encender el TRIAC (Q6040K7). La siguiente figura es una propuesta para el circuito de disparo del Controlador de Voltaje de Corriente Alterna, empleando como One Shot el circuito integrado SN74LS123, si desean pueden utilizarlo, solo tienen que calcular los valores de las resistencias y del capacitor, así como obtener las hojas de datos del fabricante para los semiconductores

5 NOTA: Para esta práctica como Pre-reporte solo hay que llevar al laboratorio el diagrama eléctrico del circuito que van a realizar y los cálculos en limpio Procedimiento Es recomendable armar tus circuitos en tu propio protoboard y dejar armados los circuitos que se utilicen en la siguiente práctica. 1.1 Implemente el circuito de control para el Controlador de Voltaje de CA que diseñó. A la hora de implementar se debe tener cuidado de energizar y desenergizar adecuadamente los comparadores, primero las fuentes Vee y Vcc y después el transformador, para desenergizar al revés. 1.2 Utilizando el Osciloscopio verifique y mida las señales correspondientes a cada una de las etapas de su circuito de control. 1.3 Guarde las imágenes de las señales de cada una de las etapas de su circuito de control, mostrando en cada canal una etapa diferente. Para la etapa de temporización grabe la forma de onda para 10%,50% y 90% del ciclo de trabajo. 1.4 Acople la etapa de potencia y la del controlador de disparos del controlador de ángulo de fase y compruebe el correcto funcionamiento alimentando una carga puramente resistiva. Se utilizara un foco como carga resistiva para su circuito

6 2.1 Agregue a su circuito la interfase de potencia y la etapa de potencia, conectando una carga resistiva (Foco 120V/60W). 2.2 Utilizando el Osciloscopio verifique y mida la señal en la carga (Canal 1: Voltaje y Canal 2: Corriente). Para no provocar un Corto Circuito tenga cuidado de No Conectar una punta del osciloscopio en el circuito de control y la otra en la etapa de potencia, debido a que las tierras son diferentes. 2.3 Guarde las imágenes de las señales que midió en el inciso 2.2 para el 10%,50% y 90% del voltaje efectivo entregado en la carga. También realice una adquisición de datos de la corriente y voltaje de entrada para realizar el cálculo del factor de potencia para los mismos porcentajes del voltaje efectivo en la carga. 2.4 Utilice su circuito para alimentar una carga inductiva. En este caso se utilizará un motor de CA como carga inductiva. Asegúrese de ajustar su circuito de disparo al nivel correspondiente al voltaje más pequeño a la salida para tener un arranque suave del motor. Asegúrese de que tiene un TRIAC de potencia suficiente para que soporte la corriente que demanda el motor. 2.5 Observe y mida las señales obtenidas al alimentar la carga inductiva y compare los resultados con aquellos obtenidos para una carga resistiva (Canal 1: Voltaje y Canal 2: Corriente). 2.6 Guarde las imágenes de las señales que midió en el punto 2.5 para el 10%,50% y 90% del voltaje efectivo entregado en la carga. También realice una adquisición de datos de la corriente y voltaje de alimentación para realizar el cálculo del factor de potencia para los mismos porcentajes del voltaje efectivo en la carga. Reporte Para esta práctica es necesario entregar un reporte, que deberá contener: Breve investigación de los controladores de voltaje de corriente alterna. Circuito diseñado para la práctica. Explicación del funcionamiento del circuito. Simulación de la etapa de Control. (Opcional) Imágenes que grabo en disquete en la práctica con comentarios. Cálculos, resultados y comparación entre las señales para las dos tipos de cargas que se alimentaron Conclusiones individuales

7 Listado de Componentes y Material Modulo Triac Q6040K7. Optoacoplador MOC3011 One Shot SN74LS123 Transformador reductor según diseño. Resistencias, Potenciómetros y Capacitores según diseño. Base para foco. Cable clavija-banana 11 Cables banana banana Memoria 32 MB para Osciloscopio Adaptador memoria a USB 4 puntas de Osciloscopio 10X Pinza de Corriente 10m, 100mV/A 2 cables Mini-banana aguja Protoboard, multímetro, pinzas Bibliografía. Muhammad H. Rashid. Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, Prentice Hall, 2ª. Edición, Capítulo 6. Timothy J. Maloney. Electrónica Industrial Moderna, Prentice Hall, 3ª Edición, Capítulo 4 y 6. Robert F. Coughlin & Frederick F. Driscoll. Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales, Prentice-Hall, 4ta. Edición,