PREPARATORIO 8 Tema :

Realizado por:

Alumno (s): XAVIER ALEXANDER SEGURA GUERRERO Fecha de Entrega: 2007_/_12 /_19 f. _______________________________ Ao mes da Recibido por: __________________________________________________

AGOSTO 07 MARZO 08

CARRERA DE INGENIERA ELCTRICA

CONTROL DE FASE DIRECTO

LABORATORIO DE ELECTRONICA DE POTENCIA

ESCUELA POLITCNICA NACIONAL Laboratorio de Electrnica de Potencia.

Nombre: XAVIER ALEXANDER SEGURA GUERERO

PRACTICA N 8 TEMA: CONTROL DE FASE DIRECTO 1. OBJETIVO

1.1. Disear e implementar un Control de Fase Directo.

2. EQUIPO Y MATERIALES

2.1. MATERIALES - SCRs - TRIAC - OPTOTRIAC - Diodos rectificadores - Focos de 100 W

2.2. EQUIPO - Osciloscopio

3. TRABAJO PREPARATORIO

3.1. Disear los circuitos de la figura 8.1 y 8.2. (Incluir formas de onda y dimensionamiento de los elementos).

CIRCUITO DE CONTROL:

De la prctica N 2 tenamos que los elementos calculados para el circuito de control con caractersticas de los elementos a usarse son: Diseo del Conversor AC AC Carga R L:

Funcionamiento del Circuito:

El circuito es un conversor AC AC para cargas R L ya que dispone de un arreglo de SCRs que permiten su funcionamiento, ya que el TRIAC por s slo no puede funcionar correctamente con cargas inductivas, en vista de que estas cargas tienen la propiedad de almacenar energa, lo que supone un problema cuando la alimentacin se corta, y las bobinas siguen entregando corriente. De ah que colocando los diodos D1 y D2, primero cumplen como rectificando la onda senoidal de entrada, el uno para los semiciclos positivos y el otro para los negativos, pero tambin permiten que el valor del voltaje de la compuerta de los SCR sea pequeo, inferior al valor mximo tolerable. Es as que, mientras no se d el disparo del circuito de control el Opto Triac se mantiene como un circuito abierto, pero cuando se da el disparo, conduce, en un sentido o en otro por lo que sucede lo siguiente: - En el semiciclo positivo:

D1 est polarizado directamente, D2 inversamente, el pulso de que activar el Triac, hace que este conduzca, y en vista de que S2 est polarizado inversamente ste no conducir, sin embargo, S1 si puede, y la corriente es llevada a la compuerta de S1, que entra en conduccin, cerrando el circuito de alimentacin de la carga inductiva.

- En Cero:

Cuando la seal de alimentacin llega a cero, se elimina por un instante la alimentacin en el Triac, por lo cual se desactivar, de tal forma que el circuito se abre nuevamente, pero con la diferencia de que este estado se demora en llevarse a cabo puesto que, la carga inductiva tiene la virtud de luego de cortar la alimentacin como almacena energa, acta como fuente de corriente momentneamente, por lo cual la seal no se hace cero inmediatamente, sino que se demora un tiempo, y luego si se mantiene en cero hasta que llegue el siguiente pulso al Triac para activarlo.

- En el semiciclo negativo: En el semiciclo negativo en cambio, D2 y S2 estn polarizados directamente y D1y S1 inversamente, por lo que cuando se da el pulso de activacin del optotriac ste conduce en direccin opuesta, llevando una corriente a la compuerta de S2, llevndolo a conduccin, haciendo que a travs del mismo se cierre el circuito de alimentacin para la carga. Cuando la seal regresa a cero, sucede algo similar y no se hace inmediatamente cero el voltaje en la carga, sino que transcurre un lapso de tiempo hasta que la inductancia descargue la energa almacenada.

Como se observa, esta configuracin permite la conduccin en el ciclo completo de la seal senoidal de alimentacin, sin embargo, se debe notar que si la inductancia de la carga es mayor, esto representa un tiempo de descarga superior, por lo cual, puede transcurrir un semiciclo sin que se logre la activacin del voltaje en la carga, entonces su funcionamiento es ptimo para un determinado rango de inductancias de la carga.

Diseo:

A la salida del circuito Oscilador de Relajacin se encuentra una R1 y el optoacoplamiento con TRIAC, por lo cual, para disear esta etapa se considera los valores del Optoacoplador a utilizar, que es el siguiente:

OptoIsolator: ECG 3047 TRIAC

Pt: 330 mW Para el LED: Corriente Mxima IF = 50 mA Voltaje Reverso VR = 3 V Para el Fototiristor: IF = 100 mA VDRM = 400 V VF = 3 V (VDRM es el Pico de Voltaje Repetitivo que soporta el elemento) Considerando esto se estima el RT = 200%

Clculo de R1: R1 es funcin directa del voltaje mximo de disparo, el mismo que corresponde (en su valor mximo, puesto que es posible dimensionarlo con RB1 sin embargo, no este valor no es fijo cuando el UJT conduce, aunque es un valor bajo): VR2 = Vp 0.7 VR2 = 9.6 0.7 = 8.9 V Sea ILED = 30 mA Entonces ITRIAC = 60 mA

==== 21066.19630

39.811

2 RmA

VVI

VVR

LED

LEDmxR

Clculo de R2: R2 depende de la corriente que debe atravesar el triac, y considerando ITRIAC = 60 mA As tambin para dimensionar los SCR, se selecciona un SCR de alta capacidad, en vista de que ha de soportar corrientes elevadas de alimentacin as como el lapso que inicia la conduccin, entonces selecciono: SCR: ECG 5554 VDRM = 400 V IGTmin = 40 mA VGtmin = 1.5 V IHmin = 40 mA VGFM = 10 V VGRM = 10 V VF = 1.8 V PG = 0.5W Si la carga se estima de 100 W: P = V.I.cos Esta expresin es vlida cuando existe carga inductiva, en donde ese coseno es el factor de potencia en atraso, sin embargo se desconoce el valor de dicho ngulo, as que, se puede considerar que la corriente mxima se obtendr cuando la L es mnima, se podra considerar: P = V. I

AIIAV

WVPI

VV

VVV

mx

ac

SCRFentacinaac

3.129197.0

276.153

100

8.12110maxarg

.limmaxarg

=======

=

Como se observa, se tiene una corriente elevada, propias de un circuito de mayor potencia.

Si considero las limitaciones de los elementos asumo los siguientes valores: IG.SCR = 60 mA Por lo cual: ISCRmx =Imx - IG.SCR ITRIAC = 0.919 A - 60 mA 60 mA = 0.799A Que funciona perfectamente para el SCR seleccionado. Considerando que el VF TRIAC = 3V. La resistencia conduce cuando se activa el Triac, por lo cual se tiene que inicialmente se tienen en los terminales de R2 y del Triac los 110 V de alimentacin, entonces, cuando conduce, se tendr que:

==== KRmA

VVIVV

RTRIAC

FTRIAC 267.181160

311022

Diseo del Conversor AC AC Carga R: .

Funcionamiento del Circuito: Es un Conversor AC AC para cargas resistivas puras, ya que se usa un triac directamente, para el disparo, se usa el mismo circuito de control diseado con el UJT, de tal manera que la seccin del Optotriac, es la misma que del circuito anterior, efectivamente, cuando se da un disparo, el optotriac conduce, de tal manera que enva corriente a la compuerta del Triac 1, con el cual ste conduce cerrando el circuito para la carga resistiva. Cuando la onda de voltaje pasa por cero, se desactiva el Triac, esperando otro pulso de activacin en el Optoacoplador, de tal manera que, para el ciclo negativo tambin se depende del disparo del circuito de control. Se debe notar que cuando el Optotriac conduce, activa al Triac 1, por lo cual, se desactivar automticamente el mismo, debido a que se le cortar la alimentacin puesto que la corriente recorre por donde tiene menos resistencia, es decir por el Triac 1. Diseo: Considerando que: ILED = 30 mA e ITRIAC = 60 mA

R1 = 210 (Las mismas consideraciones que para el diseo anterior) Para seleccionar el TRIAC: Considero un Triac con una IGmin inferior a los 60 m A de la I OPTOTRIAC y con una corriente de conduccin un poco alta IF. Entonces, se usar: ECG 5635 TRIAC VRRM = 400 V

IGTmin = 50 mA (Para el I y el III cuadrante) VGTmax = 2.5 V IHmin = 50 mA Vonmx = 1.65 V PG = 0.5 W ITRIAC = 10 A Inicialmente el OptoTriac soporta el voltaje en sus terminales, antes de la conduccin, entonces, para cuando se da el disparo se tendr:

==== KRmA

VVIVV

RTRIAC

FTRIAC 2833.180560

65.111022

Entonces, se puede utilizar el mismo valor de resistencia tanto para el segundo como para el tercer circuito. Se ha de indicar que la forma de onda de salida de este circuito por el carcter de la carga, se da en cada semiciclo, es decir se activa y desactiva en un semiciclo, lo que no ocurre con la carga inductiva.

FORMAS DE ONDA:

3.2. Adicionalmente disear el circuito de disparo para controlar los conversores AC-AC diseados en el punto 3.1.

Diseo del Circuito Disparador:

Como optoacoplador se utilizara el ECG 3220 : Optoisolator, Phototransistor, Quad

Segn el manual:

PT = 150 mW TR% = 100% (Coeficiente Radio de Transferencia = Ic/ILED) ILEDMAX=50 mA IC = 50mA Vreverso del Led= 5 VCesat = 1 V (Valor comn asumido)

Diseo:

Si ILED=20 mA IC = 20mA

==== KRmAI

VreversoVmxRLED

2.828.823520

5212011

Considerando la corriente y la resistencia, es necesaria una resistencia de potencia, que tolere ms de 4W. Sea Vcc = 15 V

==== 75070020

11522 RmAIc

VVccR CEsat

PARA LA ETAPA DEL COMPARADOR: Si el Vref = Vcc Entonces se cumple: Si VR2 > Vcc VCOMP =Vcc VR2 < Vcc VCOMP = 0

Los Diodos D1 y D2 se seleccionan para una corriente de 1 A : Se usan DIODOS 1N4007.

PARA EL DISEO DEL INTEGRADOR SE CONSIDERA QUE:

= 21

1 T

T

VindtRC

Vo

La ganancia debe ser 1 1

21

3

=CfR

El circuito funciona como integrador siempre y cuando se trabaje con frecuencias mayores a:

RCf

CfR 211

21

3

>>>>

Si considero que RC = 1 Asumo: C = 1 F R = 1M El valor pico pico de la seal de salida es:

max1 VinRC

Vop =

El negativo indica que la seal se invierte, sin embargo, como la seal tambin est desplazada, no existe componente negativa, solo se cambia la forma de onda (se invierte). Si Vin max = Vcc-Vcc/2 = Vcc/2 Vop=1*1/2 Vcc = Vcc = 7.5 V En conclusin se obtiene una seal triangular que vara desde 7.5 a 15 V, ya que esos son los lmites que impusieron la seccin de los diodos y el voltaje en la entrada+.

Con esta onda triangular y el segundo comparador se genera una onda cuadrada de relacin de trabajo variable, teniendo en cuenta que si la seal de salida del integrador vara de 7.5 a 15 V, ser necesario garantizar que el voltaje que permite la comparacin sea mayor que Vcc/2 es decir mayor que 7.5V, por lo cual para el diseo se considera:

R4 = 10 K y P = 10K

Si se desea modificar la relacin de trabajo basta con modificar el voltaje con el potencimetro, y para garantizar que est entre el 10% y el 90%, bastar con colocar una resistencia inferior en serie con el P de un valor del 10% de P (para relacin de trabajo de 0.9), y colocando una resistencia en paralelo con P para que no supere el 80% (para relacin de trabajo de 0.1) del mismo.

Rserie = 1K Rparalelo con P = 39K

La seal de salida es una onda cuadrada con relacin de trabajo variable, acorde a la variacin del potencimetro.

FORMAS DE ONDA:

BIBLIOGRAFA: RASHID M., Electrnica de Potencia, Pretince - Hall. Apuntes tomados en clase de Electrnica de Potencia