RESUMEN

El presente informe aborda el diseño de un cicloconvertidor compuesto por dos rectificadores en antiparalelo; para los cuales se utilizó SCR’s (Silicon Controled Rectifier) como dispositivo de conmutación. Para el control de disparo de los SCR se diseñó un programa en lenguaje “C” el cual fue implementado en el mocrocontrolador PIC 16F877A. El funcionamiento del cicloconvertidor implica que la entrada en conducción de un tiristor debe provocar automáticamente el bloqueo del que ha entrado en conducción anteriormente, generando frecuencias menores a la proporcionada por la red monofásica.

ABSTRACT

The formless present approaches the design of a cicloconvertidor composed by two rectifiers in antiparallel; for which there was in use SCR (Silicon Controlled Rectifier) as device of commutation. For the control of shot of the SCR there designed a program in language "C" who was implemented in the microcontroller PIC 16F877A. The functioning of the cicloconvertidor implies that the entry in conduction of a tiristor must provoke automatically the blockade of the one that has entered conduction previously, generating minor frequencies to provided by the single-phase network.

I. INTRODUCCION

En muchas aplicaciones se necesita disponer de potencia eléctrica de frecuencia, fija o variable, pero distinta característica que la suministrada por el generador que se dispone. Por tanto deberemos colocar un dispositivo entre la red eléctrica y la carga de forma que se transforme la energía eléctrica cambiando su frecuencia según sea necesario. El cicloconvertidor es capaz de proporcionar una corriente alterna mono o polifásica de amplitud y frecuencia regulables, a partir de un generador de c.a. La principal aplicación de los cicloconvertidores se da en el control a baja velocidad de grandes motores de c.a., donde es preciso variar la amplitud de la tensión proporcionalmente a la frecuencia.

II. OBJETIVOS

Objetivo General

Diseñar un cicloconvertidor de frecuencia variable utilizando SCR’s como dispositivos de disparo y controlados a través de un Microcontrolador.

CICLOCONVERTIDOR (Noviembre de 2010)

Fundación Universitaria Los Libertadores

Anderson Fabian Garzón Gutierrez Cód. 200721245600

1

Objetivos Específicos

Realizar un circuito detector de cruce por cero y que a su vez identifique el ciclo positivo y negativo de la red monofásica.

Implementar la parte de potencia del cicloconvertidor con los rectificadores controlados SCR’s. Diseñar un programa en lenguaje “C” capaz de identificar los flancos positivos y negativos de una

señal para generar pulsos que disparen los SCR’s a frecuencias variables. Implementar el programa para el disparo de los SCR’s en el microcontrolador 16F877A. Acoplar la etapa de control de los SCR’s con la etapa de potencia del cicloconvertidor. Verificar las frecuencias generadas por el cicloconvertidor.

III. EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y COMPONENTES

Para la verificación y revisión de las diferentes tensiones y corrientes producidas en diferentes puntos del Cicloconvertidor fue necesario utilizar los siguientes equipos e instrumentos:

1. Amperímetro2. Voltímetro3. Fuente de voltaje de 30 [v] 4. Osciloscopio5. Diodos Zener 1n4733A6. Diodos Led7. Optoacoplador Triac Moc 30218. Optoacoplador Darlington Moc 80219. SCR TYN 41210. Dipswitches de 6 canales11. Microcontrolador PIC 16F877A12. Resistencias de baja y alta potencia13. Capacitores Electrolíticos

IV. DISEÑO Y SIMULACION

El diseño del cicloconvertidor se dividió en 3 etapas:

1. Detector de cruce por cero e identificador de ciclos positivos y negativos.2. Programa en lenguaje “C” controlador de los SCR’s del cicloconvertidor.3. Etapa de potencia del cicloconvertidor.

FIGURA 1. Diagrama de potencia del cicloconvertidor

2

1. DETECTOR DE CRUCE POR CERO E IDENTIFICADOR DE CICLOS POSITIVOS Y NEGATIVOS

Para poder identificar los ciclos positivos y negativos de la red monofásica y con esto disparar correctamente los SRC’s fue necesario utilizar un circuito como el de la figura 2, el cual recorta el voltaje suministrado por la red hasta un voltaje referenciado por el Diodo Zener y no permite la circulación de voltaje negativo gracias al diodo 1N4004; el voltaje de salida se lleva a un Optoacoplador en configuración Darlington que funciona en la región de corte y saturación de acuerdo a la intensidad lumínica emitida en el diodo del optodarlington, la señal final será un tren de pulsos con frecuencia de 60 Hz equivalente a la de la red monofásica.

R12409Ω

R2

584Ω

Q12N6038

D11N4733A

D2

MBR1645

V1

120 Vrms 60 Hz 0°

LED1

VCC5V

R3500Ω

FIGURA 2. Diagrama Circuito detector de cruce por cero e identificador de ciclos

Haciendo circuito de prueba para el diodo Zener y tomando una corriente de entrada para el diodo del Optodarlington especificado en el Datasheet, se realizaron los cálculos para R1 y R2 de la siguiente manera:

Izener=31.8 mAV zener=20,6 vI diodoemisor=62 mA

R 1=170 v−20.6 v62 mA

=2409 Ω

R 2=20.6v−2 v31.8mA

=584 Ω

3

La salida se toma en el emisor del optodarlington, la cual se conecta al microcontrolador PIC 16F877A.

2. PROGRAMA EN LENGUAJE “C” CONTROLADOR DE LOS SCR’S DEL CICLOCONVERTIDOR

Mediante el lenguaje “C” se programó el microcontrolador PIC 16F877A para que al recibir la señal cuadrada del detector de cruce por cero en el puerto RA5 y verificando los demás pines del puerto A que son los seleccionadores de frecuencia, generara un byte por el puerto B de acuerdo al ciclo en la red monofásica lo cual hace dispar los SCR’s correspondientes a la frecuencia dada por el usuario.

#include <16f877a.h>#fuses XT,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,PUT,BROWNOUT#use delay (clock=4000000)#byte trisb = 0x86#byte portb = 0x06#byte trisa = 0x85#byte porta = 0x05#byte ADCON1 = 0x9F#byte option=0x81void frec1(void);void frec2(void);void frec3(void);void frec4(void);void frec5(void);

void main() for(;;) ADCON1=0x06; bit_set(option,7); trisa = 0XFF; trisb = 0x00; output_B (0x00); switch (porta) case 0b100001: frec1();// FRECUENCIA DE 10 HZ (1/6) break; case 0b100010: frec2();// FRECUENCIA DE 12 HZ (1/5) break; case 0b100100: frec3(); // FRECUENCIA DE 15 HZ(1/4) break; case 0b101000: frec4();// FRECUENCIA DE 20 HZ (1/3)

break; case 0b110000: frec5(); // FRECUENCIA DE 30 HZ(1/2) break; // FRECUENCIA DE 10 HZ (1/6) void frec1(void) output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(600); output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00); //void t3_t4(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC); delay_us(100); output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500);

4

output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00); //void t3_t4(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC); delay_us(100); output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500); output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00); //void t3_t4(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22(); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(600); output_B (0x30);//0b00110000 delay_us(100); output_B (0x00); //void t33_t44(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC0); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22();

do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500); output_B (0x30); delay_us(100); output_B (0x00); //void t33_t44(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC0); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22(); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500); output_B (0x30); delay_us(100); output_B (0x00); //void t33_t44(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC0); delay_us(100); output_B (0x00); // FRECUENCIA DE 12 HZ (1/5) void frec2(void) output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(600); output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00);

5

//void t3_t4(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC); delay_us(100); output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500); output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00); //void t3_t4(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC); delay_us(100); output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500); output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(600); output_B (0x30); delay_us(100); output_B (0x00); //void t33_t44(); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1)

delay_us(500); output_B (0xC0); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0x30); delay_us(100); output_B (0x00); //void t33_t44(); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500); output_B (0xC0); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0x30); delay_us(100); output_B (0x00); // FRECUENCIA DE 15 HZ (1/4) void frec3(void) output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(600); output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00); //void t3_t4(); do

6

while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC); delay_us(100); output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500); output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00); //void t3_t4(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22(); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(600); output_B (0x30); delay_us(100); output_B (0x00); //void t33_t44(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC0); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22(); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500); output_B (0x30); delay_us(100);

output_B (0x00); //void t33_t44(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC0); delay_us(100); output_B (0x00); // FRECUENCIA DE 20 HZ (1/3) void frec4(void) output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(600); output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00); //void t3_t4(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC); delay_us(100); output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500); output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(600);

7

output_B (0x30); delay_us(100); output_B (0x00); //void t33_t44(); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(500); output_B (0xC0); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0x30); delay_us(100); output_B (0x00); // FRECUENCIA DE 30 HZ (1/2)void frec5(void) output_B (0x00); //void t1_t2(void); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1)

delay_us(600); output_B (0x03); delay_us(100); output_B (0x00); //void t3_t4(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC); delay_us(100); output_B (0x00); //void t11_t22(); do while(bit_test(porta,5)==0); if (bit_test(porta,5)==1) delay_us(600); output_B (0x30); delay_us(100); output_B (0x00); //void t33_t44(); do while(bit_test(porta,5)==1); if (bit_test(porta,5)==0) delay_us(500); output_B (0xC0); delay_us(100); output_B (0x00);

8

SIMULACION EN PROTEUS ETAPA DE CONTROL

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-/CVREF4

RA4/T0CKI/C1OUT6

RA5/AN4/SS/C2OUT7

RE0/AN5/RD8

RE1/AN6/WR9

RE2/AN7/CS10

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RC1/T1OSI/CCP216

RC2/CCP117

RC3/SCK/SCL18

RD0/PSP019

RD1/PSP120

RB7/PGD40

RB6/PGC39

RB538

RB437

RB3/PGM36

RB235

RB134

RB0/INT33

RD7/PSP730

RD6/PSP629

RD5/PSP528

RD4/PSP427

RD3/PSP322

RD2/PSP221

RC7/RX/DT26

RC6/TX/CK25

RC5/SDO24

RC4/SDI/SDA23

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI15

MCLR/Vpp/THV1

U1

PIC16F877A

1

(1)

OF

FO

N1 2 3 4 5 6

7

DSW1DIPSWC_6

A0A1A2A3A4A5A6A7

A8A9A10A11A12A13A14A15

B0[0..7]B1[0..7]

B2[0..7]B3[0..7]

FIGURA 3. Simulación Etapa de control con el PIC 16F877A

FRECUENCIA DE 30 Hz (1/2)

FIGURA 4. Frecuencia De 30 Hz Visto en el Analizador Digital de Proteus

9

FRECUENCIA DE 20 Hz (1/3)

FIGURA 5. Frecuencia De 20 Hz Visto en el Analizador Digital de Proteus

FRECUENCIA DE 15 Hz (1/4)

FIGURA 6. Frecuencia De 15 Hz Visto en el Analizador Digital de Proteus

FRECUENCIA DE 12 Hz (1/5)

10

FIGURA 7. Frecuencia De 12 Hz Visto en el Analizador Digital de Proteus FRECUENCIA DE 10 Hz (1/6)

FIGURA 8. Frecuencia De 15 Hz Visto en el Analizador Digital de Proteus

3. ETAPA DE POTENCIA DEL CICLOCONVERTIDOR

FIGURA 9. Diagrama Circuito detector de cruce por cero e identificador de ciclos

Para acoplar la etapa de control con la etapa de potencia se utilizaron optoacopladores entre la salida de cada uno de los puertos del microcontrolador (puerto B) y sus SCR’s correspondientes. Para encontrar la resistencia entre Ánodo y compuerta de cada SCR fue necesario hallar la corriente Igt y el voltaje Vgt de cada uno de los tiristores a través de un circuito de prueba.

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D1

BT151_500R

RA

1kΩ

Rg

435Ω

LED1

Vg4 V

V20 V

U1

DC 1e-009Ohm

5.805m A+ -

U2DC 10MOhm1.

475

V+

-

J1

Key = A

Figura 10. Simulación Circuito de Prueba SCR

Con la ecuación (1) se calcula la resistencia Rg, el Vgt y la Igt son los valores máximos proporcionados en la hoja de datos del fabricante. Para determinar el Vgt real se varia la resistencia Rg y se cierra el pulsador, si no se enciende el LED1 es necesario variar de nuevo la resistencia Rg, hasta conseguir que se encienda el LED1; cuando se encienda se debe medir los valores del Vgt e Igt

tal y como se muestra en la figura 1.1.

V G=V Rg+V gtmax (1)

V G=I gtmax . Rg+V gtmax

4=15 mA . Rg+1.5 v

Rg=166 Ω

Los valores prácticos de esta medición dieron como resultados distintos Vgt e Igt para lo cual se eligió el mayor voltaje y la mayor corriente ya que esto garantiza que todos los SCR’s se enciendan en el instante de tiempo determinado por la etapa de control.

I ¿=¿4.09mA Vgt =0.7 V

El voltaje de la red monofásica al cual se enciende cada uno de los SCR’s es: Vp=28,7 V

Con lo cual:

R=V P−V ¿

I ¿=28.7 v−0.7 v

4.09 mA=6845,96 Ω

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V. ANALISIS DE RESULTADOS

El objetivo del proyecto se basaba en variar la frecuencia del cicloconvertidor, lo cual se pudo observar en el osciloscopio tal y como se ve en las siguientes graficas:

Figura 11. Pulsos generados a la salida del optodarlington (AZUL) vs Señal en la carga con frecuencia de 30 Hz (AMARILLA)

Figura 12. Pulsos generados a la salida del optodarlington(AZUL) vs Señal en la carga con frecuencia de 15 Hz (AMARILLA)

13

Figura 13. Pulsos generados a la salida del optodarlington(AZUL) vs Señal en la carga con frecuencia de 10 Hz (AMARILLA)

Como se puede apreciar en las tres graficas el cambio de ciclo en el cruce por cero genera un disparo en dos CSR’s lo cual genera los semiciclos que se ven en cada una de las gráficas, estos semiciclos se muestran recortados debido a que los disparos se hacen después de un retardo de 500 uS y se mantienen 100uS para después apagarse; debido a las características de los SCR’s estos quedan encendidos a pesar que el voltaje en la compuerta se apague después de los 100 uS, cada SCR se apaga cuando el voltaje entre Ánodo y Cátodo es 0.

VI. CONCLUSIONES

Al aplicar una carga inductiva la corriente se desfasa con respecto al voltaje por lo que es necesario hacer un retardo entre la detección del ciclo y el disparo de cada SCR, de igual manera es necesario mantener un tiempo de disparado de unos cuantos microsegundos debido a que existe una diferencia entre los tiempos de encendido de cada SCR.

Para variar el voltaje eficaz del cicloconvertidor es necesario alterar el tiempo de disparo de los CSR’s, si este retardo es menor el voltaje RMS será mayor, pero si se aumenta el área útil de la señal de salida será menor y por tanto el voltaje RMS será menor.

Se encontró que una de las limitaciones del cicloconvertidor es que la frecuencia que puede suministrar en la salida es inferior a la entrada, es decir, si tenemos como señal de entrada la suministrada por la red monofásica, la frecuencia de salida siempre será menor a 60 Hz.

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VII. BIBLIOGAFIA

[1] MALONEY Timothy, Electronica Industrial.

[2] PASMSHOW Raymond, Electronica de Potencia.

[3] MUHAMMAD H.Rashid, Electrónica de Potencia.

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