Electrónica de Potencia PRÁCTICA # 2

CONVERSORES ESTÁTICOS DE ENERGÍA AC/AC

Katherine Aguilar, Paulina Bolaños, Carlos Ferrin, Carlos Carranco

Introducción Los conversores o también llamados

convertidores estáticos de energía

comprenden la parte más importante

de la electrónica de potencia ya que se

puede controlar, maniobrar y convertir

la energía eléctrica mediante el uso de

dispositivos electrónicos.

Presentan varias ventajas entre las

cuales se nombra: no se desgastan,

tiene mejor rendimiento, se activan

rápidamente y permiten controlar el

flujo de energía de una manera rápida

y sin rebotes

Este informe muestra la simulación e

implementación de 3 circuitos de

disparo utilizando diferentes elementos

de resistencia negativa como por

ejemplo el UJT que es utilizado en el

circuito 1: Circuito de control de fase

directo circuito 2: Chopper de AC.

Objetivo

Diseñar e implementar un conversor AC/AC con control de Fase Directo y Chopper de AC, y entender su funcionamiento.

Desarrollo

Circuito 1.-Diseñar el circuito del

conversor AC/AC de fase directo que se muestra en la Fig.1; para el circuito de control se utilizará el circuito de disparo con el UJT, el mismo que tendrá un ángulo de disparo alfa que varía entre 10 grados y 170 grados (circuito presentado en la práctica anterior).

Fig. 1 Circuito de Oscilación Este circuito funciona cuando al emisor del elemento de resistencia negativa (UJT) llega un voltaje Vp (pico), el

mismo que se produce al cargar el capacitor de manera lenta hasta llegar al voltaje adecuado, permitiendo el paso de la corriente hacia Rbb.

En la fig. 2 se puede observar la etapa de alimentación, en la cual se utiliza un puente rectificador, una resistencia de 6.8KΩ de 5W, diodo Zener de 18 V, el voltaje a la salida del puente rectificador es un voltaje aproximadamente de 50 volts, luego el voltaje del dioso zener se establece en 18 V que a la vez es el voltaje de alimentación para la etapa de oscilación.

Fig. 2 Etapa de alimentación

La Fig. 3 nos muestra la etapa de oscilación, alimentada por el voltaje del zener, R4 y C determinan el tiempo que tarda en aplicarse VP al emisor del UJT para que entre en conducción y se proceda a la descarga a través de R2 , el tiempo de carga (tiempo en bloqueo) y descarga (tiempo en conducción) dependen de R4 y R2 además de C por lo que una variación de esta resistencias permite variar el tiempo antes de la aparición del pulso en R2 como el ancho de este.

Fig. 3 Etapa de oscilación

Matemática: Tomando en consideración que se utiliza como carga una lámpara con 110 W de potencia y 120 Volts Vrms. Cálculo de la corriente nominal de la carga:

𝐼𝑛𝑙 =𝑃

𝑉𝑟𝑚𝑠 Ec. (1)

𝐼𝑛𝑙 = 110 𝑊

120 𝑉𝑟𝑚𝑠

𝐼𝑛𝑙 = 0.92 A Cálculo de Potencia activa: después de realizar despejes de fórmulas llegamos a la ecuación:

Pactiva = 1

2𝜋 ∫ 𝑉𝑒(𝑡)𝐼𝑒(𝑡)𝑑𝑡

2𝜋

0 Ec. (2)

Ve e Ie (voltaje y corriente de entrada red)

𝑃 = Irms. Vrms cos(Φ) Ec. (3)

P= 0.92 (120) Cos(50º) P= 70W Potencia aparente: S= I. V Ec. (4) S= 110.4 VA Potencia Reactiva: Q= I.V sen(Φ) Ec. (5) Q= 85 VAR Factor de Potencia: FP= P/S Ec. (6) FP = 0.64 Resultados:

Fig. 5 Ondas generadas en la simulación

En la fig. 5 se puede observar varias ondas que se detallan a continuación: Onda de color amarillo: representa el voltaje a la salida del puente rectificador.

Onda de color celeste: representa al voltaje del diodo zener. Onda de color rosado: representa el diente de sierra que se genera el emisor del UJT. Onda de color verde: representa los disparos generados por el UJT medidos en la resistencia R2. En las Fig. 6 y 7 podemos observar las formas de onda a la salida del diodo zener y en la R2, medida con el osciloscopio en el laboratorio.

Fig. 6 Onda a la salida del diodo zener generadas en el osciloscopio. Fig. 7 Onda de Disparo en R2 generadas en el osciloscopio

Fig. 8 Circuito de control de fase directo

Fig. Ondas de salida del conversor AC/AC

Onda amarilla: representa al voltaje medido en el U1(SCR). Onda celeste: representa al voltaje medido en la carga.

Fig.10 Onda del voltaje medido en la carga, variación con el potenciómetro.

IMÁGENES EXPERIMENTALES

Se puede apreciar que el foco se enciende y la onda es medida en la carga, se puede observar que la onda resultado de la simulación es 90% similar a la experimental. Hacemos variaciones con el potenciómetro y la onda que se produce es la siguiente, además la intensidad del foco también varía, como podemos ver en la siguiente imagen.

Circuito 3.- Diseñar el circuito de control y el circuito de potencia de la Fig. 1; el circuito es un conversor AC/AC con la técnica de control chopper de AC. El circuito de control es un oscilador PWM con una frecuencia de operación de 1KHz que permite variar la relación de trabajo (circuito de control presentado en la

práctica anterior). El circuito de potencia debe ser implementado con un MOSFET de potencia, La carga será un foco de 100W

Fig. 1 Circuito Chopper de AC

El circuito funciona con un IRF840 para la parte de potencia recibiendo la señal mediante potenciómetros varia el valor de la frecuencia y ciclo de trabajo a través de un Arduino cuando se manipula las entradas A2 y A3, en el momento de existir variación en A2 o A3.

Fig. 2 Señal de Frecuencia y Ciclo de

Trabajo

Se activara a un a la base de un transistor 2N3904 y este a su vez a un IRF840 directamente al pin Gate, por lo que permite el control al parte del puente rectificador y por ende al foco controlando la luminosidad.

Fig. 3 Circuito de control a la de

potencia

En la fig. 4 se puede observar la etapa de alimentación, en la cual se utiliza un puente rectificador.

Fig. 4 Etapa de alimentación

A continuación se muestra las simulaciones realizadas en proteus con las respectivas ondas que se describen más adelante. Resultados:

Fig. 5 Ondas generadas en la simulación

En la fig. 5 se puede observar varias ondas que se detallan a continuación: Onda de color azul: Representa La señal que activa al transistor mediante el arduino. Onda de color verde: Representa el voltaje en la carga (foco 100w). Onda de color rojo: Representa el control en la carga. Cabe mencionar que las ondas obtenidas en la simulación así como en el circuito solamente se puede observar media onda de proteus debido a la conexión del osciloscopio (punta de referencia a Tierra). Se añade como anexo las formas de onda de voltaje obtenida en el circuito en distintitos ciclos de trabajo y frecuencia.

VER ANEXOS. Conclusiones: Paulina Bolaños.- Se pudo evidenciar que el voltaje mínimo para el MOC 3021 es de 3 Volts, el oscilador de relajación está dotando de 3.7 V. Katherine Aguilar: La variación del ángulo de disparo entre 10º y 170º da como salida la variación de la

intensidad de la lámpara y a su vez la variación de la potencia del mismo. Carlos Ferrin: La resistencia de potencia (6.8K 5W) fue calculada de tal manera que la corriente hacia el diodo zener no lo dañe, si sucediera esto el UJT no dispara. Carlos Carranco: El cálculo adecuado del potenciómetro es muy importante ya que de este depende la variación del ángulo de disparo. El control PWM mediante un microcontrolador (PIC, AVR, Arduino entre otros) permite una gran aplicación en la parte de control de potencia específicamente en el mosfet de potencia siendo controlado por la frecuencia y ciclo de trabajo todo esto observando en el osciloscopio se verifica los oscilogramas del comportamiento en el consumidor eléctrico.

Recomendaciones: Paulina Bolaños: Se recomienda que el valor de la resistencia R1 que está conectada al pin 1 del MOC3021, no sea mayor a 1KΩ, ya que si es demasiado alta no permite el paso de una corriente adecuada para su funcionamiento. Katherine Aguilar: Calcular R3 de tal manera que no sea muy pequeña para que pase un voltaje adecuado y activar los SCR. Carlos Ferrin: La conexión del UJT debe ser verificada en el datasheet, debido a la sensibilidad de los mismos.

Carlos Carranco: El uso de los 2 SCR es mejor opción que utilizar un TRIAC. Bibliografía:

Rashid, Muhammad (1993). Power Electronics: circuits, devices and applications (2ª ed.). Prentice Hall. http://www.ecured.cu/index.php/Electr%C3%B3nica_de_potencia. http://www.alldatasheet.es/datasheetpdf/pdf/167631/STMICROELECTRONICS/IRF630.html