Resumen. En este artículo se presenta el diseño y puesta en
funcionamiento de un convertidor AC-DC trifásico con tiristores
(rectificador semicontrolador), con una potencia máxima de 1200
W. El convertidor se elaboró bajo una concepción didáctica [1]
por un grupo de estudiantes de ingeniería como proyecto final del
área de electrónica de potencia. Se presenta la integración de dos
tipos de dispositivos utilizados en los sistemas embebidos actuales
como son los microcontroladores PIC y los arduino nano. El
microcontrolador PIC se encarga de recibir y procesar las señales
de sincronización del rectificador con la red y entregar las señales
de control a los tiristores. El ángulo de disparo para controlar el
voltaje de salida DC del rectificador es enviado mediante
comunicación UART al microcontrolador PIC desde un arduino
nano, que además maneja una pantalla GLCD y un botón joystick,
utilizados para presentar información del estado del rectificador y
modificar el voltaje deseado en la carga. El sistema embebido
estima mediante un algoritmo el voltaje DC de salida del
rectificador y calcula la corriente DC medida a la salida del mismo.
Finalmente se presentan algunos resultados obtenidos en
laboratorio del convertidor construido.
Palabras claves— Microcontrolador, tiristores, arduino.
I. INTRODUCCIÓN
a electrónica de potencia ha evolucionado dramáticamente
en los últimos 20 años convirtiéndose en una de las áreas
básicas en las carreras con enfoque en electrónica. Rashid en
[2] afirma categóricamente que: “El desarrollo en los elementos
semiconductores ha propiciado que se puedan realizar
conversiones de energía de manera eficiente y a niveles
elevados de potencia, lo cual satisfacen las necesidades
crecientes de las aplicaciones industriales y de transporte
(Trenes, automóviles, metros, barcos, ascensores)” Así mismo
el auge de los microncontroladores ha proporcionado el
desarrollo de sistemas embebidos cada vez más potentes, que
reemplazan gran cantidad de elementos discretos
(amplificadores operacionales, transistores, resistencias, etc)
para la implementación de una tarea específica en diversas
aplicaciones (ejemplo de esto esta los circuitos de disparo de
los tiristores).
Los convertidores de control de fase se pueden clasificar en
dos tipos, dependiendo de la fuente de alimentación, como
monofásicos o trifásicos. Cada tipo se puede subdividir en
convertidor completo o semiconvertidor que puede funcionar
como rectificadores o inversores conmutados a la frecuencia de
red. El semiconvertidor trifásicos se utilizan en aplicaciones
industriales hasta el nivel de 120kW, en los que se requiere de
una operación de un cuadrante [3]. Conforme aumenta el
ángulo de retraso se reduce el factor de potencia de este
convertidor [4], [5] y el voltaje de salida del mismo. Este
rectificador se utiliza en aplicaciones como de refrigeración,
aire acondicionado, fuentes de alimentación ininterrumpibles
(UPS)), en energía (Transmisión de corriente continua, enlaces
de frecuencia, control de potencia reactiva, compensación de
armónicas), en generadores de alta corriente alterna,
accionamiento de motores DC, entre otros. Dado que los
semiconvertidores en la industria fueron de los primeros
convertidores usados masivamente en la industria, son una
herramienta importante en la academia; debido a que
proporciona una base de conocimiento para entendimiento del
comportamiento de los rectificadores controlados a alta
frecuencia que actualmente se encuentran en el mercado.
En este artículo se muestra el diseño y construcción de un
semiconvertidor trifásico con tiristores conectado a una red en
Y de 220 Vrms de voltaje de línea, con una potencia de salida
máxima de 1200 W y un voltaje de salida entre 0 a 310 V,
desarrollado como proyecto final en el área de electrónica de
potencia de la escuela de Ingeniería Electrónica de la UPTC
sede Sogamoso. El semiconvertidor es controlado mediante un
sistema embebido compuesto por un microcontrolador de la
familia PIC, encargado de la sincronización y disparo de los
tiristores que se comunica vía UART con un Arduino nano que
se encarga de mostrar en una GLCD la medición de la corriente
DC en la carga y estima mediante un algoritmo el voltaje DC
de la misma.
II. SEMICONVERTIDOR TRIFÁSICO TIPO PUENTE
La topología básica de un rectificador controlado se muestra
en la Fig. 1, donde se observa como la alimentación trifásica
alterna se conecta al punto medio del diodo y del SCR. El
convertidor tiene una operación de un cuadrante y se adiciono
un diodo de marcha libre como protección para cargas
altamente inductivas [6].
Fig. 1. Semiconvertidor Trifásico
INTEGRACION DE UN SISTEMA EMBEBIDO (PIC - ARDUINO
NANO) PARA EL CONTROL DE UN SEMICONVERTIDOR
TRIFASICO TIPO PUENTE
Camilo A. Sanabria, Linda Y. Vanegas, Laura T. Guio, Oliverio Ortiz.
L
La Fig. 2 muestra las formar de onda de los voltajes de
entrada, y del voltaje de salida del rectificador. La frecuencia
del voltaje de salida es de 6 veces la frecuencia del voltaje de
entrada, el ángulo de retraso α se puede variar de 0 hasta π,
Durante el periodo de π/6 < ωt < 7π/6, el tiristor T1 tiene
polarización directa o positiva. El convertidor tiene dos modos
de operación dependiente el valor del ángulo de disparo α que
se observan en la Fig. 2. El primer modo que se conoce como
continuo y ocurre cuando el ángulo de disparo 𝛼 ≤ 𝜋/3, en
donde se conmutan dos diodos y un tiristor; para valores de α
superiores a la condición anterior, se presenta el modo
discontinuo donde la señal de voltaje de salida será cero en
algunos instantes de tiempo.
a)
b)
Fig. 2. Tensiones de salida y entrada del Puente Rectificador Trifásico
semicontrolado con ángulos de disparo: a) α = 5, b) α = 95.
Para la selección de los elementos semiconductores se
consideran aspectos como la potencia máxima que debe
entregar el convertidor y el voltaje máximo de entrada. Esta
información se presenta en la tabla I, en donde se han calculado
los valores de corriente continua DC y corriente RMS máximos
que deben soportar los semiconductores con las siguientes
expresiones (se asumen una carga resistiva):
_
4 6
DC_S pico load0
I = I cos t d t2
(1)
2 2
_
4 6
rms_S pico load0
I = I cos t d t2
(2)
TABLA I
Características del puente semicontrolado
Potencia de la carga 1200 W
Voltaje de línea de entrada 220 Vrms
Voltaje de salida máximo DC 297.1 V
Corriente de salida máxima DC 4.04 A
Corriente DC del semiconductor 1.35 A
Corriente RMS del semiconductor 2.33 A
Voltaje de pico inverso 311.13 V
Para cumplir con las especificaciones propuestas y
considerando la disposición comercial se elige el SCR 40TPS16
que soporta 1600 V en voltaje inverso y una corriente RMS de
55 A, y el diodo P600M con un voltaje de pico inverso de 1000
V y una corriente promedio máxima de 6 A.
A continuación se mostrara como diseñar de forma didáctica
las etapas de sincronización y disparo de tiristor, considerando
las especificaciones dadas por los fabricantes de los diferentes
dispositivos.
A. Etapa de sincronización.
Para el correcto funcionamiento del rectificador controlado,
es necesario tomar señales de sincronización de la red eléctrica
de entrada a 220 Vrms. Existen dos formas de lograr esta
sincronización con una condición de aislamiento entre los
dispositivos a saber: transformador (aislamiento galvánico),
opto-transistor (aislamiento óptico). Para el presente proyecto
se usa la opción del opto-transistor en la topología [7] mostrada
en la Fig 3; la topología permite convertir la señal de entrada
senoidal en una señal cuadrada, identificando de esta forma el
semi-ciclo positivo de la entrada (0 - π). Es importante aclarar
que lo que se busca con esta señal es obtener un punto de
referencia (flanco ascendente para el diseño planteado por
cambio de nivel 0 a 1 lógico) para que el sistema embebido lo
interprete como una entrada y genere las señales de disparo
correspondiente a cada tiristor.
Fig. 3. Circuito de cruce por cero con opto acopladores y Smith-trigger.
Para realizar los disparos adecuadamente se debe tener en
cuenta si la red trifásica se está utilizando en secuencia positiva
(0,-120 y -240) o negativa (0,120 y -120), lo cual cambiara las
conexiones de entrada al circuito de la Fig. 3.
El valor de la resistencia R1 de la Fig. 3, se obtiene teniendo
en cuenta que el voltaje que cae sobre esta, es el voltaje DC de
una señal sinusoidal rectificada, debido al diodo rectificador en
serie, el cual es necesario ya que el diodo que contiene el opto-
transistor seleccionado (PC817) [8] tiene tensión de ruptura de
6V según lo indica el datasheet. Se elige una corriente de 5mA
Voltaje de salida
Vab
Vbc
Vca
en R1, de tal forma que el valor correspondiente y la potencia
que debe disipar se calculan en las siguientes expresiones:
103,5
20,7 225
Rdc
Rdc
V VR k k
I mA (3)
2162,6
1,222
RrmsR
V VP W
R k
(4)
Para determinar el valor del resistor R6 en la Fig. 3, se utiliza
la curva de relación de transferencia de corriente (CTR) del
opto-transistor presentada en Fig. 4, en donde se observa que
para una corriente de 5mA en el led, se tiene un 120% de CTR,
por lo tanto se obtiene una corriente de colector de 6 mA. Para
determinar el valor de R6, también se debe considerar la
velocidad de conmutación que se desea del transistor. En la fig.
5 se muestra las características de conmutación del PC817 y los
tiempos esperados dependiendo de la resistencia que se coloque
en el colector del mismo.
Fig. 4. Current transfer Ratio Vs Forward Current
Finalmente al considerar la información dada en las Fig. 4 y
5, se selecciona un valor de R6 igual a 1kΩ, lo que garantiza un
tiempo conmutación mínimo del opto-transistor de 40us, en las
condiciones de operación planteadas.
B. Disparo de los tiristores.
Los tiristores seleccionados deben tener un circuito de
disparo que entregue un pulso de corriente de al menos 100 µs,
para lograr conmutar de su estado de apagado a encendido,
cuando se encuentren polarizados en directa. Entre las
diferentes formas posibles, se seleccionó para el proyecto el
circuito de disparo basado en opto-triac como se muestra en la
Fig. 6. Este circuito recibe la señal del sistema embebido de
control y mediante el valor adecuado de R11, se ajusta el valor
mínimo de corriente de compuerta necesario para disparar el
SCR.
La resistencia de entrada al opto-triac se seleccionó de tal
manera que se tenga un valor de 10 mA de corriente en el led
cuando se está operando a una lógica TTL de 5V, lo que
garantiza que la transferencia óptica sea la adecuada para
permitir una rápida conmutación del triac.
a)
b)
Fig. 5.a) Esquema de conmutación del PC817, b) Tiempos de respuesta del
PC817 dependiendo de la resistencia de carga
Fig. 6. Circuito para el disparo del tiristor basado en el opto-triac MOC3021.
La resistencia R11 como se mencionó antes tiene la función
de garantizar la corriente mínima de compuerta para ángulos de
disparos pequeños, donde el valor del voltaje ánodo-cátodo del
SCR es pequeño, pero también se debe limitar la corriente
máxima de compuerta cuando el voltaje instantáneo ánodo-
cátodo este en su valor máximo (ángulo de disparo de 90°). La
corriente pico no repetitiva del optoacoplador MOC3021 es de
1,2A y la corriente pico de la compuerta del 40TPS08 es de
2.5A, lo cual con lleva a que la resistencia debe limitar la
corriente de 1,2A del optoacoplador como se muestra:
min
325,27271
1,2
390
Triac
FSM
Triac
VmLL VR
I A
R
(5)
Se puede seleccionar resistencias de 300Ω, 330Ω, 360Ω,
pero no es aconsejable dejar resistencias tan cercanas debido a
que el voltaje pico de línea a línea puede variar implicando un
cambio en la corriente y un posible daño al optoacoplador por
corrientes altas.
El diodo que se encuentra en serie con el triac del optotriac y
la resistencia, tiene la función de evitar disparos del SCR ante
posibles ruidos de la red, pues tiene que superar el voltaje de
encendido del diodo, además evita que llegue al SCR señales
de disparo en el semiciclo negativo debido a una mala conexión
de las fases. Considerando el voltaje pico en inversa (VRRM en
los datasheet) que debe soportar el diodo (325.12 V), los diodos
rectificadores a usar debe ser de referencias 1N4004 a 1N4007
ya que tiene un VRRM mayor al calculado.
III. SISTEMA EMBEBIDO
En la Fig. 7 se observa el sistema embebido conformado por
un microcontrolador de la familia PIC 18F2550 que se encarga
de recibir las señales provenientes del circuito de
sincronización y entregar los pulsos de disparo a cada uno de
los tiristores. Mediante el protocolo UART el microcontrolador
PIC se comunica con un Arduino nano encargado como se
observa en la Fig. 7 de manejar una pantalla GLCD donde se
presenta al usuario del sistema la información de voltaje DC,
corriente DC y potencia que se está entregando a la carga,
además de informar cual es el ángulo de disparo actual. El
ángulo de disparo se modifica mediante un joystick que se
conecta al Arduino nano.
CIRCUITO DE CONTROL
PIC
Circuito detector de cruce por cero
Etapa de Potencia
SEÑAL SEÑAL PPM
UA
RT
ARDUINOSeñal de referencia
(joystick)Pantalla
GLCD
Fig. 7. Diagrama de bloque implementado para el desarrollo del proyecto.
El sistema embebido se encarga de resolver las ecuaciones
(6), (7) y (8) de forma discreta para determinar el voltaje DC
para los modos de conducción continuo (α ≤ 60°) y discontinuo,
así como el valor de la corriente DC. En las ecuaciones se toma
un voltaje de línea de 220 Vrms.
Modo Continuo:
2
6
5
6
2
263
22
6
L
DC
L
V sen t d t
V
V sen t d t
(6)
Modo Discontinuo:
7
6
6
32
2 6DC LV V sen t d t
(7)
Corriente DC:
2
2
1( )
T
TDC LoadI i t dtT
(8)
A. Microcontrolador PIC
En la Fig. 8 se observa el diagrama de flujo correspondiente al
programa principal en donde se seleccionaron tres puertos del
microcontrolador que corresponde a dos señales de entrada
(puerto A y puerto B) y una señal de salida (puerto C). Así
mismo se configuro el oscilador externo con frecuencia de 20
MHz, el módulo de la UART a 9600 baudios, los Timers a 16
bits y las interrupciones externas por flanco ascendente.
Fig. 8. Diagrama de flujo del voltaje implementado en el microcontrolador pic
18f2550.
El microcontrolador PIC 18F2550 [9] recibe las señales de
los tres circuitos de sincronización, de donde se obtienen tres
ondas cuadradas que son leídas por el microcontrolador
mediante interrupciones por flanco descendentes, estas
interrupciones están encargadas de interrumpir el programa
principal y realizar la asignación del tiempo de desborde de los
TIMER0, TIMER1 y TIMER3, de acuerdo al ángulo de disparo
que se le desea asignar. Al ocurrir una interrupción interna por
desborde de los TIMERS se envía un pulso de activación a los
SCR, cada TIMER activando un SCR, el pulso de desactivación
se envía en el programa principal para no tener tiempos de
latencia muy altos en la interrupción ya que es necesario que en
las interrupciones tome el menor tiempo posible, para lograr
atender todas las interrupciones.
Se emplea la interrupción de recepción del USART para
recibir el dato del ángulo de disparo, enviado por el arduino
nano, tomando este valor y convirtiéndolo a un valor de 16 bits
de acuerdo al tiempo de retardo del ángulo y finalmente cargar
este valor a los TIMERS.
La Fig. 9 muestra el código programado en lenguaje C donde
se muestra el cálculo matemático para la obtención de un valor
numérico de voltaje y las interrupciones necesarias para esto.
Fig. 9 Programa en C del cálculo de voltaje.
B. Arduino nano
El módulo de Arduino que se implementó en este proyecto
es un Arduino nano [10] el cual se comunica con el
microcontrolador mediante la USART pero que a su vez cumple
un papel importante ya que este recibe la lectura del joystick
que nos proporciona el ángulo de disparo y así mismo
mediante la entrada del módulo ADC toma la lectura de un
sensor de corriente (Fig. 12), que se encuentra conectado en
serie a la carga para saber en tiempo real el valor de la corriente
que circula a la salida del sistema, para observar este valor se
implementó una GLCD que ha sido programada con la ayuda
del Arduino nano en donde se muestra el valor de voltaje,
corriente y el ángulo en el cual se disparó el sistema.
En la Fig. 9 se observa el diagrama de flujo correspondiente al
programa del Arduino nado en donde se configuro, el módulo
de la UART a 9600 baudios, la lectura analógica del
potenciómetro del joystick y el envío de datos a la GLCD.
Fig.10. Diagrama de flujo de corriente implementado en Arduino nano.
En la Fig. 11 se muestra el código del algoritmo desarrollado
en el Arduino para la medición de la corriente en donde se a
tomado una ventana de muestreo de 1sg y por lo tanto se
almacena 1000 muestras para el cálculo de la corriente DC a la
salida del rectificador semicontrolado
Fig. 11 Programa en C del cálculo de la corriente.
IV. RESULTADOS
En la Fig. 12 se observa el prototipo final del semiconvertidor
trifásico con tiristores conectado a una red en Y de 220 Vrms
de voltaje de línea diseñado.
Fig. 12. Prototipo final implementado en la práctica.
En la Fig.13 a 16, se muestra las señales de voltaje y corriente
a la salida del prototipo para diferentes ángulos de disparo. En
la Fig. 13 se tiene una carga resistiva y el ángulo de disparo
corresponde a 30°, colocando al rectificador en el modo de
conducción continúa con un voltaje de salida de 300 V
aproximadamente. En la Fig. 14 se muestra el límite entre el
modo de conducción continua y el discontinuo. En la Fig. 15 se
ha colocado un ángulo de disparo mayor a 60°, lo que conduce
al modo discontinuo. En la Fig.16, se muestran la señales de
voltaje y corriente para una carga RL (motor DC).
Fig. 13. Señal de voltaje y corriente con ángulo de disparo de α = 30°
Fig. 14. Señal de voltaje y Corriente con un ángulo de disparo α = 60°
Fig. 15. Señal de voltaje y corriente con ángulo de disparo de α = 120°
Fig. 16. Señal de corriente y voltaje a la salida con carga RL
V. CONCLUSIONES
Se logró integrar dos dispositivos utilizados en los sistemas
embebidos como los son los microcontroladores PIC y el
arduino nano para controlar de manera exitosa un rectificador
trifásico semicontrolado conectando una red trifásica. Esta
integración permitió dividir las tareas de procesamiento entre
los dispositivos elegidos de tal manera que las tareas de
sincronización, disparo y medición son realizadas
adecuadamente.
Se obtuvo un error en las mediciones de voltaje y corriente
en el modo continuo mediante los algoritmos implementados en
el sistema embebido menor al 2 % con respecto a lo medido en
el osciloscopio. En modo discontinuo las mediciones de
corriente alcanzaron un error de 4 %, pero las mediciones de
voltaje alcanzaron un error de 15 %.
VI. REFERENCIAS
[1] F. Gastón and G. Luciano “Implementación de un Rectificador
Controlados con Fines Didácticos”, presented at the XXII Congreso
Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.
[2] H. Rashid, Muhammad. “Electrónica de Potencia, circuitos, dispositivos
y aplicaciones”, 2ª ed., 1995, Prentice Hall.. pp. 37-187. [3] J.M. Benavent García, A. Abellán G., E. Figueres A. “Electrónica de
Potencia, teoría y aplicaciones”, 1ª ed. 2000, Alfaomega.
[4] B. R. Pelly, Thvristor Phase-Controlled Converters and Cvcloconverters. New York: Wiley-Interscience. 1971.
[5] R. M. Davis. Power Diode and Thvristor Circuits. Cambridge, England:
University Press. 1971. [6] MOHAN, Undeland, Ronnins.”Power Electronics: Converter,
Application and Design”. J. Wiley, 1989.
[7] SAVANT Jr, CJ., Roden, Martin y Carpenter, Gordon. Diseño Electrónico Circuitos y Sistemas.Tercera Edición. Editorial Pearson
Education. 2000.
[8] Ficha técnica Sharp PC817 Series, Septiembre 2016 [Online].Disponible:http://akizukidenshi.com/download/PC817C.pdf.
[9] Sigma Electrónica, Ficha técnica PIC18F2550 Series, septiembre de 2016 [Online].Disponible:
http://www.sigmaelectronica.net/manuals/PIC18F2550.pdf
[10] Sigma Electrónica, Manual Arduino Nano, Septiembre 2016[Online].Disponible:http://www.sigmaelectronica.net/manuals/Ardui
noNanoManual.pdf.
Camilo Andrés Sanabria Totaitive, (1982- ) Ingeniero Electrónico con
grado de honor en Ingeniería de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de
Colombia, sede Sogamoso, Maestría en Ingeniería Electrónica con énfasis en electrónica de Potencia de la Pontificia Universidad Javeriana. Investigador del
grupo en Robótica y Automatización Industrial GIRA UPTC. Docente auxiliar
de la escuela de Ingeniería Electrónica sede Sogamoso de la Universidad
Pedagógica y Tecnológica de Colombia
Linda Yesenia Vanegas Cano, Estudiante de último semestre de Ingeniería
Electrónica de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, sede Sogamoso, Tecnóloga en Electrónica de la Fundación Universitaria Juan de
Castellanos y semillero en el grupo de investigación en Robótica y
Automatización Industrial GIRA UPTC.
Oliverio Ortiz Pedroza, nació en Tunja, Boyacá, en 1992. Ingeniero
Electrónico de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, actualmente realiza la especialización en Bases de Datos en esta misma
universidad.
Laura Teresa Guio Sandoval, Ingeniero Electrónico de la Universidad
Pedagógica y Tecnológica de Colombia, sede Sogamoso, especialización en
curso de Telecomunicaciones, semillero en el grupo de investigación en Robótica y Automatización Industrial GIRA UPTC.