Explicación Control de fase directo

NOTA: Para no hacer muy larga una publicación, he decidido explicar ciertos principios en esta entrada, y en la siguiente publicar el circuito y códigos.

INTRODUCCIÓN

Este es el circuito de un conversor AC/AC, el cual se basa en manipular la potencia entregada al circuito mediante el control del ángulo de disparo de los SCR´s o TRIAC's para variar la señal que se entrega a la carga.

Se basa en utilizar el RMS de la señal de alterna, al modificar la forma de onda de la señal de alterna, se varía el RMS que es el valor eficaz de voltaje que se entrega a la carga, de ahí que variemos la potencia en la carga al variar el ángulo de disparo del SCR.

La forma de onda se puede observar en la gráfica.

Las gráficas de arriba son los voltajes en los terminales del SCR o TRIAC, que son los complementarios a los que hay en la carga que son las ondas de abajo. Como podemos ver, al disparar con un ángulo de 30° la señal que se aplica a la carga es casi la total de la senoidal completa, y al disparar a los 120° la señal aplicada a la carga es casi nula. Mediante esta modificación en la onda variamos la potencia aplicada al circuito o carga.

Los voltajes en los tiristores se producen al no conducir, pues deben soportar todo el voltaje aplicado ya que a la carga no le llega nada. Es como un interruptor abierto, al no cerrarse el circuito todo el voltaje recae en el interruptor, y al conducir los tiristores es como un interruptor cerrado, está en corto, por lo

que no hay voltaje en sus terminales, y todo el voltaje va hacia la carga. Por eso, los voltajes son complementarios (entre voltaje en la carga y voltaje en los tiristores).

El circuito se puede realizar con SCR's o TRIAC's, pero de manera práctica se implementa con SCR's por su mayor potencia, por lo que se podrá usar este circuito para cargas de potencia, tales como motores monofásicos por ejemplo.

En Internet pueden encontrar toda la información al respecto de los conversores como: características, ventajas, limitaciones, tipos de carga, etc. Por lo que procederé a explicar lo que se necesita para el circuito.

ETAPAS PARA EL CONTROL DE FASE

Para este control como se puede ver, se requiere esperar un tiempo desde el "inicio" de la onda hasta cuando decidimos activar los tiristores, y ésto dependerá del ángulo (a su vez potencia), que yo requiera fijarle.

DETECCIÓN DE CRUCE POR CERO

En esta etapa "encontramos el inicio" de la señal, como puede verse, el ángulo de disparo se cuenta desde que la señal está en cero voltios; a esto llamamos detección de cruce por cero, es decir, encontrar el momento en que la señal de alterna se encuentra en cero voltios para empezar a contar el tiempo de acuerdo al ángulo fijado; se puede realizar de varias maneras, por ejemplo:

Reducir el voltaje mediante resistencias o transformadores y aplicarle a un optoacoplador, cuando el led se apague el voltaje es cero y la salida del transistor será positiva. (asumiendo optotransistor como inversor).

Reducir el voltaje y rectificar para aplicar la señal directamente a un conversor ADC o comparador del PIC y detectar mediante el programa.

Circuitos de comparación con amplificadores operaciones, etc.

El método que se utiliza aquí es uno recomendado por la microchip, que lo pueden ver en el siguiente enlace (http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00521c.pdf)

El funcionamiento básico es que el PIC al tener protecciones en las entradas, para sobretensión, posee diodos recortadores, por lo que al entrar un voltaje mayor a Vcc, lo recorta a una tensión constante de la fuente.

Eso sí, debemos colocar una resistencia en serie para limitar la corriente, pues el pin podría quemarse por exceso de corriente. No debe superarse los 25 mA que soportan los pines. Como vemos en la gráfica se realiza el cálculo mediante Ley de Ohm.

Entonces al poder aplicar la señal de alterna directamente, y como se recortará a partir de 5 voltios, se tiene una señal que tiende a ser cuadrada, y podemos usar una interrupción para detectar el flanco positivo (semiciclo positivo) o el flanco negativo (semiciclo negativo), que será cuando la señal vaya a cero voltios, y hemos detectado el cruce por cero mediante una interrupción.

Me parece el mejor método, pues se requiere exactitud al momento de detectar el cruce, y mediante interrupción se atenderá inmediatamente, asegurando exactitud en los tiempos de espera para el disparo.

ÁNGULO DE DISPARO

Para iniciar el disparo de los SCR's, debemos esperar un tiempo de acuerdo al ángulo de disparo, recordando que la onda senoidal completa tiene 360 grados, por lo que el semiciclo positivo tendrá 180 grados y el negativo los 180 restantes. En mi caso la señal de alterna es de 110 Vrms a 60 Hz. Mediante regla de 3 podemos obtener el tiempo que se requiere esperar por grado.Calculamos el período de la onda:

T=1/f = 1/ 60 Hz = 16.66 ms

Como vamos a trabajar en cada semiciclo, dividimos el período en los 2 semiciclos.

Ts = T/2 = 8.33 ms -> cada semiciclo.

Como podemos comparar en las gráficas siguientes, cuando la señal está en 180 grados, el tiempo está en 8.33 ms, y cuando está en 360 grados, el tiempo es 16.66 ms. Como dato extra se puso la señal a 90 grados, que en tiempo es el equivalente a 4.16 ms.

Onda senoidal de 60 Hz, con el eje X expresado en grados

Onda senoidal de 60 Hz, con el eje X expresado en tiempo (segundos)

Con estos datos, mediante regla de tres podemos determinar el tiempo que requiere cada grado. Ese será el tiempo que debemos esperar según el ángulo deseado.

180° ------- 8.33 ms

1° ------- x

x = 8.33ms/180° = 0.04629 ms = 46.29 us

Entonces cada grado equivale a 46.29 us, es decir que si queremos un ángulo de disparo de 90 grados, debemos esperar 4.16 ms (46.29 us * 90).

De manera práctica entonces, debemos hacer un FOR que tarde 49.29 us en toda su ejecución, para así repetirlo de acuerdo al ángulo que fijemos. Para un ángulo de 90 grados, repetiremos 90 veces el FOR que tarda 49.29 us. Obteniendo una pausa equivalente a 4.16 ms. Y ahí realizar el disparo de los SCR's.

ACOPLAMIENTO A LA ETAPA DE POTENCIA

Por motivos de seguridad, debemos mantener aisladas galvanicamente la parte de control de la parte de potencia. Es decir, ninguna parte del control debe tener contacto eléctrico con la señal de alterna (parte de potencia). En este caso tenemos dos conexiones con la señal de alterna.

1. La señal de alterna que se toma para detectar el cruce por cero, si bien, según el circuito de microchip se puede conectarlo directamente, como se dijo, por motivos de seguridad se va a aislar mediante un transformador, la relación del transformador, puede ser incluso de 1 a 1, y así se mantendría la señal intacta, pero aislada eléctricamente, en este caso, por motivos de disponibilidad se coloco un transformador con la señal de salida a 12 Vrms (nominal).

Como puede verse, también se incorporo una resistencia de 1 Megaohmio, para enviar la señal al PIC, en la siguiente entrada, se verá el circuito completo.

2. La señal que activa los SCR's, al disparar los tiristores, se tendría una conexión entre el control y la red, para aislar esto se usará optoacopladores, en este caso, optotriac's, así aislaremos eléctricamente ambas etapas.

Como se ve, cada SCR es independiente, con su respectivo optotriac y su señal de disparo independiente, como se dijo, por motivos prácticos se usa dos SCR en anti paralelo, para cargas de baja potencia, se podría usar un TRIAC con una sola señal de disparo y un solo optoacoplador.

El valor de la resistencia de Gate, para disparar a los SCR's debe calcularse de acuerdo al SCR con que se vaya a implementar el circuito, pues una resistencia demasiado alta, no permitiría el disparo del tiristor en ángulos pequeños o altos (por haber pequeños voltajes), y una resistencia demasiado baja podría destruir al SCR en ángulos intermedios (donde hay los voltajes más altos). El valor máximo se tiene a 90° y sería 155 Vp (110 Vrms en mi caso), y se deberá tomar en cuenta la corriente máxima de gate del datasheet del elemento. Aquí se implemento con 10 K, lo que daría como corriente pico:

Ip = Vp / R = 155 / 10 k = 15.5 mA

Creo que esta explicado brevemente el control de fase directo y sus etapas en general, espero les haya servido y hayan entendido, en la siguiente entrada, publicare el circuito, los códigos y demostración.

Publicadas por Alex Paredes a la/s 22:09

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Etiquetas: 16F877A, ac, cero, control, conversor, cruce, detector, directo, disparo, electrónica, fase, foco, motor, opto, PIC, potencia, red, scr, triac, ángulo

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