PREPARATORIO 8Tema :

Realizado por:

Alumno (s):

Fecha de Entrega: 2007_/_12 /_19 f. _______________________________ Año mes día Recibido por:__________________________________________________

AGOSTO 07 – MARZO 08

CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

CONTROL DE FASE DIRECTO

LABORATORIO DE ELECTRONICA DE POTENCIA

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

Laboratorio de Electrónica de Potencia.

Nombre: XAVIER ALEXANDER SEGURA GUERERO

PRACTICA Nº 8

TEMA: CONTROL DE FASE DIRECTO

1.       OBJETIVO

1.1.     Diseñar e implementar un Control de Fase Directo.

2.       EQUIPO Y MATERIALES

2.1.     MATERIALES-          SCR´s-          TRIAC-          OPTOTRIAC-          Diodos rectificadores-          Focos de 100 W

2.2.     EQUIPO-          Osciloscopio

3.       TRABAJO PREPARATORIO

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

CIRCUITO DE CONTROL:

De la práctica Nº 2 teníamos que los elementos calculados para el circuito de control con características de los elementos a usarse son:

Diseño 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 sí sólo no puede funcionar correctamente con cargas inductivas, en vista de que estas cargas tienen la propiedad de almacenar energía, lo que supone un problema cuando la alimentación se corta, y las bobinas siguen entregando corriente.

De ahí 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 también permiten que el valor del voltaje de la compuerta de los SCR sea pequeño, inferior al valor máximo tolerable. Es así que, mientras no se dé 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 está polarizado directamente, D2 inversamente, el pulso de que activará el Triac, hace que este conduzca, y en vista de que S2 está polarizado inversamente éste no conducirá, sin embargo, S1 si puede, y la corriente es llevada a la compuerta de S1, que entra en conducción, cerrando el circuito de alimentación de la carga inductiva.

- En Cero:

Cuando la señal de alimentación llega a cero, se elimina por un instante la alimentación en el Triac, por lo cual se desactivará, 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 alimentación como almacena energía, actúa como fuente de corriente momentáneamente, por lo cual la señal 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 están polarizados directamente y D1y S1 inversamente, por lo que cuando se da el pulso de activación del optotriac éste conduce en dirección opuesta, llevando una corriente a la compuerta de S2, llevándolo a conducción, haciendo que a través del mismo se cierre el circuito de alimentación para la carga. Cuando la señal 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 energía almacenada.

Como se observa, esta configuración permite la conducción en el ciclo completo de la señal senoidal de alimentación, 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 activación del voltaje en la carga, entonces su funcionamiento es óptimo para un determinado rango de inductancias de la carga.

Diseño:

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

OptoIsolator:ECG 3047TRIAC

Pt: 330 mWPara el LED: Corriente Máxima IF = 50 mA Voltaje Reverso VR = 3 VPara 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%

Cálculo de R1:R1 es función directa del voltaje máximo de disparo, el mismo que corresponde (en su valor máximo, 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 – 0.7VR2 = 9.6 – 0.7 = 8.9 VSea ILED = 30 mAEntonces ITRIAC = 60 mA

Cálculo de R2:

R2 depende de la corriente que debe atravesar el triac, y considerando ITRIAC = 60 mAAsí también para dimensionar los SCR, se selecciona un SCR de alta capacidad, en vista de que ha de soportar corrientes elevadas de alimentación así como el lapso que inicia la conducción, entonces selecciono:

SCR:ECG 5554VDRM = 400 V IGTmin = 40 mA VGtmin = 1.5 V IHmin = 40 mAVGFM = 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 expresión es válida cuando existe carga inductiva, en donde ese coseno es el factor de potencia en atraso, sin embargo se desconoce el valor de dicho ángulo, así que, se puede considerar que la corriente máxima se obtendrá cuando la L es mínima, se podría considerar:

P = V. I

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 mAPor lo cual: ISCRmáx =Imáx - 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 alimentación, entonces, cuando conduce, se tendrá que:

Diseño 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 diseñado con el UJT, de tal manera que la sección del Optotriac, es la misma que del circuito anterior, efectivamente, cuando se da un disparo, el optotriac conduce, de tal manera que envía corriente a la compuerta del Triac 1, con el cual éste conduce cerrando el circuito para la carga resistiva. Cuando la onda de voltaje pasa por cero, se desactiva el Triac, esperando otro pulso de activación en el Optoacoplador, de tal manera que, para el ciclo negativo también se depende del disparo del circuito de control. Se debe notar que cuando el Optotriac conduce, activa al Triac 1, por lo cual, se desactivará automáticamente el mismo, debido a que se le cortará la alimentación puesto que la corriente recorre por donde tiene menos resistencia, es decir por el Triac 1.

Diseño:Considerando que: ILED = 30 mA e ITRIAC = 60 mA

R1 = 210 (Las mismas consideraciones que para el diseño 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 conducción un poco alta IF. Entonces, se usará:ECG 5635TRIACVRRM = 400 V

IGTmin = 50 mA (Para el I y el III cuadrante)VGTmax = 2.5 VIHmin = 50 mAVonmáx = 1.65 V PG = 0.5 WITRIAC = 10 A

Inicialmente el OptoTriac soporta el voltaje en sus terminales, antes de la conducción, entonces, para cuando se da el disparo se tendrá:

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 carácter 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 diseñar el circuito de disparo para controlar los conversores AC-AC diseñados en el punto 3.1.

Diseño del Circuito Disparador:

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

Según el manual:

PT = 150 mWTR% = 100% (Coeficiente Radio de Transferencia = Ic/ILED) ILEDMAX=50 mAIC = 50mAVreverso del Led= 5

VCesat = 1 V (Valor común asumido)

Diseño:

Si ILED=20 mA IC = 20mA

Considerando la corriente y la resistencia, es necesaria una resistencia de potencia, que tolere más de 4W.

Sea Vcc = 15 V

PARA LA ETAPA DEL COMPARADOR:

Si el Vref = ½ Vcc Entonces se cumple:Si VR2 > ½ Vcc VCOMP =Vcc VR2 < ½ Vcc VCOMP = 0

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

PARA EL DISEÑO DEL INTEGRADOR SE CONSIDERA QUE:

La ganancia debe ser 1El circuito funciona como integrador siempre y cuando se trabaje con frecuencias mayores a:

Si considero que RC = 1

Asumo: C = 1 F R = 1M

El valor pico pico de la señal de salida es:

El negativo indica que la señal se invierte, sin embargo, como la señal también está 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 = ½ Vcc = 7.5 V

En conclusión se obtiene una señal triangular que varía desde 7.5 a 15 V, ya que esos son los límites que impusieron la sección de los diodos y el voltaje en la entrada+.

Con esta onda triangular y el segundo comparador se genera una onda cuadrada de relación de trabajo variable, teniendo en cuenta que si la señal de salida del integrador varía de 7.5 a 15 V, será necesario garantizar que el voltaje que permite la comparación sea mayor que Vcc/2 es decir mayor que 7.5V, por lo cual para el diseño se considera:

R4 = 10 K y P = 10K

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

Rserie = 1KRparalelo con P = 39K

La señal de salida es una onda cuadrada con relación de trabajo variable, acorde a la variación del potenciómetro.

FORMAS DE ONDA:

BIBLIOGRAFÍA:

RASHID M., Electrónica de Potencia, Pretince - Hall. Apuntes tomados en clase de Electrónica de Potencia