El funcionamiento del sistema de control, consiste principalmente en la estimación de las ondas de corriente, en base a la onda de tensión de fase, producida por el sistema de pruebas. Debido a dicha estimación se consideró los siguientes puntos para el correcto funcionamiento del sistema de control:
Sistema balanceado. Debido a que se tiene un tiempo constante en los disparos de los triac´s, en un sistema desbalanceado los disparos no serían en los tiempos deseados, a consecuencia que se tomó una tensión de fase de referencia.
Secuencia de fases. Es importante considerar la secuencia de fases porque de ella depende la correcta secuencia de los disparos que le llegan a los triac´s. La implementación fue realizada para trabajar en secuencia positiva.
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Página 31 Conexión estrella de los TCR. La implementación se realizó para una conexión estrella de los TCR, si se realizara con una conexión delta se debe estimar otros tiempos de disparo de los triac´s debido que la corriente que circula se comporta de manera distinta. En otro caso para el funcionamiento en conexión delta se debe tomar en cuenta otra referencia.
Inductor del TCR. Se debe tener en cuenta tanto la parte resistiva e inductiva del TCR, debido a la parte resistiva provoca un pequeño adelanto a la corriente, provocando modificación del tiempo de disparo en los triac´s.
La figura 3.2 muestra el diagrama del sistema de control. La implementación del sistema de control esta proporcionada por los siguientes componentes:
A. Conjunto de transformadores conectados en serie. B. Circuito detector de cruce por cero.
C. Microcontrolador. D. Circuito aislador. E. TCR. TP MICROCONTROLADOR 51JM128 LA N MOC 3010 LB LC L1 CIRCUITO DETECTOR DE CRUCE POR CERO
L2 L3
A B C D
E
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A. Transformadores
En el sistema de control es imposible trabajar con tensiones de un valor considerablemente grandes, es por eso que se tiene la necesidad de tener que reducir la tensión a valores con los cuales no se dañe el sistema de control. En la implementación se utilizó tres transformadores de 120 V/ 12 V, conectados en serie, tomando para el funcionamiento del detector de cruce por cero una tensión de 12 V en la salida del secundario se agregó un diodo DR en serie con la señal de salida del
transformador, para evitar el ingreso del ciclo negativo de la señal. La figura 3.3 se muestra la conexión del conjunto de transformadores.
TP
*
*
*
DR
Figura 3.3 Conjunto de transformadores conectados en serie.
B. Circuito detector de cruce por cero
Los cruces por cero ocurren cuando la tensión de la red cambia de polaridad, de positivo pasa a negativo o a la inversa. Para poder detectar el cruce por cero de la señal de la línea se utiliza un comparador LM311. La figura 3.4 muestra el circuito de cruce por cero el cual posee un circuito de protección que limita la intensidad de salida a 50 mA.
REGULACIÓN DE TENSIÓN EN UN MODELO DE LÍNEA Página 33 10kΩ VDD 5V 5.6kΩ 2MΩ VDD 5V 20kΩ LM311 Vref Señal de salida al microcontrolador DR
Figura 3.4 Circuito detector de cruce por cero.
Al circuito detector de cruce de cero entra la señal rectificada de media onda, la cual se compara con la onda de un valor aproximado a cero que es generado por un divisor de tensión. Así cuando la señal de 6 V de AC sea menor que dicho valor, el amplificador operacional producirá un pulso con una amplitud de 6 V. Posteriormente la amplitud del pulso se reduce a 5 V para que pueda ser manejado por el microcontrolador quien se encarga de generar la señal de control. En la figura 3.5 se muestra la señal de salida de 5 V que es obtenida del detector de cruce por cero.
a)
b)
Figura 3.5 Señal del circuito detector de cruce por cero. a) Filos de subida, y b) Filos de bajada
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C. Microcontrolador
Para poder generar las variaciones de admitancia por medio del TCR es necesario controlar la señal de disparo que reciben los triac´s en el momento adecuado. Para controlar este disparo se programa el microcontrolador 51MJ128.
El proceso de control es el siguiente: el microcontrolador recibe la señal proveniente del circuito detector de cruce por cero, la cual inicializa una variable dentro del programa. El microcontrolador detecta tanto los filos de subida, como los filos de bajada. Cuando un filo de subida o filo de bajada es detectado inmediatamente realiza un retardo y se envía un pulso corto a cada triac, de cada fase a tiempos establecidos. Este proceso se repite cada cruce por cero de la señal de referencia.
El microcontrolador 51MJ128 utiliza dos botones pulsadores, uno de ellos nos permite aumentar el ángulo de retardo en 15° y otro botón pulsador el cual nos admite tener un ángulo de retardo de 0° aumentando el ángulo de disparo generado por el microcontrolador. El microcontrolador fue programado para indicar tanto las señales de entrada como las de salida como se muestra en la figura 3.6.
SALIDA FASE “A” SALIDA FASE “B” SALIDA FASE “C” SEÑAL DE ENTRADA INDICADORES DE LAS SEÑALES DE SALIDA INDICADOR DE LA
SEÑAL DE ENTRADA CONTROLADOR DEL ÁNGULO DE RETARDO
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En la siguiente figura 3.7 se muestra las señales los disparos controlados y producidos por el microcontrolador, tomadas del sistema de control. La señal senoidal es la
referencia tomada de la “Fase A” del sistema de pruebas, mostrando los tiempos en
que se realiza los disparos a los triac´s.
SEÑAL DE REFERENCIA PULSOS DE LA FASE A SEÑAL DE REFERENCIA PULSOS DE LA FASE B SEÑAL DE REFERENCIA PULSOS DE LA FASE C
a)
b)
c)
Figura 3.7 Señal de referencia y salida del microcontrolador 51MJ128. a) fase A, b) fase B, y c) fase C.
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D. Circuito aislador
Después de generar la señal de control es necesario construir un circuito que nos permita acoplar la etapa de control de la etapa de potencia. La señal de control que es producida por el microcontrolador debe llegar al tiristor. Sin embargo no es posible conectar de manera directa el microcontrolador y el triac, fue por eso que surgió la necesidad de instalar un circuito que permita acoplar el circuito de potencia con el circuito de control, esto se llevó a cabo mediante un optoacoplador MOC3011.
La razón principal de realizar dicho acoplamiento es por protección del microcontrolador, ya que si ocurre un cortocircuito en el circuito de potencia, o cualquier tipo de anomalía eléctrica, el optoacoplador protege todos los elementos del circuito del sistema de control. Ver figura 3.8.
1 2 3 4 5 6 MOC3010M MOC3011M MOC3012M 180 Vcc V sistema60Hz Rload
Figura 3.8 Diagrama de conexión del optoacoplador.
El MOC 3010 es un optoacoplador que sirve para que, con una señal de baja tensión, se pueda controlar una alta tensión. Este optoacoplador se caracteriza porque no tiene detector de cruce por cero y está diseñado para trabajar con cargas resistivas e inductivas. El MOC tiene un triac interno, el cual es controlado por un fotodiodo, que a su vez es controlado por los pulsos provenientes del microcontrolador.
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E. TCR
Para un correcto funcionamiento del reactor controlado por tiristores (TCR) es necesario elegir el valor adecuado de la impedancia del inductor. Para ello se debe calcular la a potencia reactiva capacitiva del modelo de línea aérea, a partir de la capacitancia de trabajo de la línea, para calcularlo se utiliza las ecuaciones (3.1) y (3.2) [12].
(3.1)
(3.2)
QC debe ser igual a QC medida en la entrada, cuando la línea no tiene carga. Para la
implementación se contó con banco de inductores de 300 VAR´S, de 7 pasos. Para la compensación de la línea solo se necesita un solo paso de dicho juego de inductores. La potencia reactiva monofásica del banco de inductores, tomando el primer paso es:
La potencia reactiva trifásica del banco de inductores dada por:
La potencia reactiva monofásica del banco de inductores, tomando el segundo paso es:
La potencia reactiva trifásica del banco de inductores está dada por:
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Se puede observar que la potencia reactiva del segundo paso es mayor que la potencia reactiva capacitiva producida por la línea, lo que provocaría una disminución de la tensión nominal de la línea, es por eso que para el inductor del TCR, se eligió el primer paso del banco de inductores.
Por lo tanto el valor de la inductancia del TCR es:
(3.3)
Para obtener el valor de la inductancia del TCR implementado se parte de la siguiente ecuación:
(3.4)
De la ecuación (3.4) se tiene:
Para la elección de los triac´s, es necesario basarse en la corriente máxima que circulara por el inductor, en base al valor de XL, la corriente por fase está dada por:
Se observa la corriente es menor a un Amper y la tensión por fase es de 220 V. Es por eso que se eligió el triac 2N6073A debido a que sus características nominales de corriente y tensión están por arriba de los parámetros de línea.
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