Grupo 4. Avr y Electronica de Potencia(Angel Ramos Cruz y Lenin Marron Mendoza)

Universidad Nacional del altiplano

CENTRALES ELECTRICAS - II

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

Centrales Electricas II “AVR “AVR y Relacion con la operación y sistema de electrónica de potencia”

Ing. Mecnica el!ctrica

Escuela profesional:

Pertenece a:

Ramos Cruz Angel



09!"" #arr$n #en%oza Lenin 0&'("( )ocente: Ing* #ario +urta%o C,aez

PUNO"PERU #$%& Electrónica de potencia La expresió expresión n electrón electrónica ica de potencia se utiliza utiliza para diferenc diferenciar iar el tipo de aplicación aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles.

n este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la conducción !encendido y apagado" de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltaj voltajes es en aplic aplicaci acion ones es de poten potencia cia.. sto sto al confor conformar mar equip equipos os denomi denomina nados dos convertidores est#ticos de potencia. potencia . $e esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica eléctrica para distinto distintos s fines fines tales tales como alimenta alimentarr controlad controladamen amente te otros otros equipos, equipos, transf transform ormar ar la energí energía a eléctr eléctrica ica de contin continua ua a altern alterna a o viceve viceversa rsa,, y contro controla larr la velocidad y el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de disp dispos osit itiv ivos os elec electró tróni nico cos, s, prin princi cipa palm lmen ente te semiconductores semiconductores.. sto sto incluy cluye e tan tanto aplicaciones en sistemas de control, control , sistemas de compensación de factor de potencia y%o de armónicos como para suministro eléctrico a eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia. l principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales



generadores de pérdidas por efecto &oule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte%saturación !on%off, encendido y apagado".

Dispositivos semiconductores de potencia 'ara estas aplicaciones se (an desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor . ntre estos se encuentran los siguientes) •

*ectificador controlado de silicio !S+* en inglés"

•

riac

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ransistor -/, sigla para -nsulated ate /ipolar ransistor, ransistor /ipolar con compuerta aislada iristor 0, sigla para ated urnoff (yristor, iristor apagado por compuerta iristor -+, sigla para -nsulated ate +ontrolled (yristor, iristor controlado por compuerta iristor 1+, sigla para 10S +ontrolled (yristor

Convertidores de la energía eléctrica +onversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromec#nicos o electroquímicos. $ic(os dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores est#ticos de potencia, clasificados en) *ectificadores) convierten corriente alterna en corriente continua •

•

•

-nversores) convierten corriente continua en corriente alterna +icloconversores ) convierten corriente alterna en corriente alterna de otra frecuencia menor +(oppers) convierten corriente continua en corriente continua de menor o mayor tensión

n la actualidad esta disciplina est# cobrando cada vez m#s importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos tradicionales, y su mayor versatilidad. 2n paso imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo de potentes motores.



Aplicaciones Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes) •

•

•

Fuentes de alimentación: n la actualidad (an cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. stas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. l ejemplo m#s claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los ordenadores. Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar par#metros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. ste tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. sta técnica, denominada comercialmente como 3inverter3 sustituye el antiguo control encendido%apagado por una regulación de velocidad que permite a(orrar energía. 4simismo, se (a utilizado ampliamente en tracción ferroviaria, principalmente en ve(ículos aptos para corriente continua !+.+."durante las décadas de los a5os 67 y 87, ya que permite ajustar el consumo de energía a las necesidades reales del motor de tracción, en contraposición con el consumo que tenían los ve(ículos controlados por resistencias de arranque y frenado. 4ctualmente el sistema c(opper sigue siendo v#lido, pero ya no se emplea en la fabricación de nuevos ve(ículos, puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el motor trif#sico, muc(o m#s potente y fiable que el motor de colector.

Calentamiento por inducción: +onsiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de los 9:z, de manera que se (acen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia. La aplicación m#s vistosa se encuentra en las cocinas de inducción actuales. 0tras) +omo se (a comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de potencia. 4dem#s de las ya comentadas destacan) sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interface entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc.

Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivos de potencia y control en un ;nico c(ip, reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones.


trabajando a altas tensiones y circuitería de control, así como la disipación de la potencia perdida.

REG!AD"RE# A$"%A$IC"# DE $E&#I'& AVR RE!ACI"&AD" C"& E!EC$R"&ICA DE ("$E&CIA La función b#sica de un regulador autom#tico de tensión !4=*" es la de alimentar al circuito de excitación de tal manera de mantener constante la tensión de salida del generador dentro de ciertos rangos de frecuencia y carga.

Los 4=* son una familia de microcontroladores *-S+ del fabricante estadounidense 4tmel. La arquitectura de los 4=* fue concebida por dos estudiantes en el egian -nstitute of ec(nology, y posteriormente refinada y desarrollada en 4tmel ay, la empresa subsidiaria de 4tmel, fundada por los dos arquitectos del c(ip. +uenta con bastantes aficionados debido a su dise5o simple y la facilidad de programación. Se pueden dividir en los siguientes grupos ) •

•

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4xmega) procesadores muy potentes con ?@ a A8B 9/ de memoria flas( programable, encapsulados de BB, @B y ?77 pines !4B, 4A, 4?", capacidad de $14, eventos, criptografía y amplio conjunto de periféricos con $4+s. 4mega) microcontroladores 4=* grandes con B a CD@ 9/ de memoria flas( programable, encapsulados de C8 a ?77 pines,conjunto de instrucciones extendido !multiplicación y direccionamiento de programas mayores" y amplio conjunto de periféricos. 4tiny) peque5os microcontroladores 4=* con 7,D a 8 9/ de memoria flas( programable, encapsulados de @ a C7 pines y un limitado set de periféricos. 4E72S/) 4mega integrado con controlador 2S/



•

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4E7+4<) 4mega con controlador de bus +4< ipos especiales) algunos modelos especiales, por ejemplo, para el control de los cargadores de baterías, pantallas L+$ y los controles de los motores o la iluminación. 4E7S) tipos obsoletos, los 4=*s cl#sicos

/ajo el nombre 4=*AC, 4tmel tiene una arquitectura *-S+ de AC bits con soporte de $S' y S-1$. 4 pesar de la similitud de sus nombres y logotipos, las dos arquitecturas tienen poco en com;n. l 4=* es una +'2 de arquitectura :arvard. iene AC registros de 8 bits. 4lgunas instrucciones sólo operan en un subconjunto de estos registros. La concatenación de los AC registros, los registros de entrada%salida y la memoria de datos conforman un espacio de direcciones unificado, al cual se accede a través de operaciones de carga%almacenamiento. 4 diferencia de los microcontroladores '-+, el stac9 se ubica en este espacio de memoria unificado, y no est# limitado a un tama5o fijo. l 4=* fue dise5ado desde un comienzo para la ejecución eficiente de código + compilado. +omo este lenguaje utiliza profusamente punteros para el manejo de variables en memoria, los tres ;ltimos pares de registros internos del procesador son usados como punteros de ?@ bit al espacio de memoria externa, bajo los nombres F, G y H. sto es un compromiso que se (ace en arquitecturas de oc(o bit desde los tiempos de -ntel 8778, ya que su tama5o de palabra nativo de 8 bit !CD@ localidades accedidas" es pobre para direccionar. 'or otro lado, (acer que todo el banco superior de ?@ registros de 8 bit tenga un comportamiento alterno como un banco de 8 registros de ?@ bit, complicaría muc(o el dise5o, violando la premisa original de su simplicidad. 4dem#s, algunas instrucciones tales como Isuma inmediataI !Iadd immediateI en inglés" faltan, ya que la instrucción Iresta inmediataI !Isubstract immediateI en inglés" con el complemento dos puede ser usada como alternativa. l set de instrucciones 4=* est# implementado físicamente y disponible en el mercado en diferentes dispositivos, que comparten el mismo n;cleo 4=* pero tienen distintos periféricos y cantidades de *41 y *01) desde el microcontrolador de la familia Tiny 4tiny?? con ?J/ de memoria flas( y sin *41 !sólo los AC registros", y 8 pines, AVR (asta el microcontrolador 4megaCD@7 de la familia Mega AVR con CD@J/ de memoria flas(, 8J/ de memoria *41, BJ/ de memoria '*01, conversor an#logo digital de ?7 bits y ?@ canales, temporizadores, comparador analógico, &4, etc. La compatibilidad entre los distintos modelos es preservada en un grado razonable. Los microcontroladores 4=* tienen una ca5ería !IpipelineI en inglés" con dos etapas !cargar y ejecutar", que les permite ejecutar la mayoría de las instrucciones en un ciclo de reloj, lo que los (ace relativamente r#pidos entre los microcontroladores de 8Kbit. l set de instrucciones de los 4=* es m#s regular que la de la mayoría de los microcontroladores de 8Kbit !por ejemplo, los '-+". Sin embargo, no es completamente ortogonal)



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Los registros punteros F, G y H tienen capacidades de direccionamiento diferentes entre sí !ver m#s arriba por qué". Los registros 7 al ?D tienen diferentes capacidades de direccionamiento que los registros ?@ al A?. Las registros de -%0 7 al A? tienen distintas características que las posiciones AC al @A. La instrucción +L* afecta los IflagI, mientras que la instrucción S* no lo (ace, a pesar de que parecen ser instrucciones complementarias !dejar todos los bits en ?, y dejar todos los bits en 7, respectivamente". Los códigos de operación 7xED+8 y 7xE77B (acen exactamente lo mismo !L'1".

+omo los 4=*, tiene una comunidad de seguidores !ejemplificadas por el foro de internet AVR Freaks", principalmente debido a la existencia de (erramientas de desarrollo gratuitas o de bajo coste. stos microcontroladores est#n soportados por tarjetas de desarrollo de costo razonable, capaces de descargar el código al microcontrolador, y por una versión de las (erramientas <2. sto ;ltimo es posible por su uniformidad en el acceso al espacio de memoria, propiedad de la que carecen los procesadores de memoria segmentada o por bancos, como el '-+ o el 87D? y sus derivados.

Venta)as principales •

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+ontrol estable y seguro de la maquinaria) 4=* perfectamente integrados y robustos para entornos industriales (ostiles. *egulación estable y precisa, incluso con tensiones altamente inestables. 4=* para diferentes aplicaciones) %S totalmente configurables, entradas de medición y un considerable interfaz de bus de campo para usuarios específicos permiten una f#cil integración de planta. Sistema de f#cil manipulación) monitoreo y mantenimiento :erramienta para la puesta en servicio intuitiva y f#cil de usar. Soporte completo para códigos de rejilla) stabilización del deslizamiento integrada !opcional", modelos de simulación y formación en código de rejilla. 4dministración eficaz del ciclo de vida del producto) 4umente la vida ;til de sus recursos con un coste mínimo. 4sistencia técnica profesional siempre a su alcance)*ed global de 4// de servicios de sistemas de excitación.

!engua)e de programación IDE de un AVR



l microcontroladores por ser un sistema digital programable, necesita de un código de programa o firm>are que incluya las instrucciones necesarias para realizar el control del sistema embebido. l lenguaje de programación de un microcontrolador, es el Lenguaje nsamblador !.asm", lenguaje de bajo nivel, esteensamblador posee algunas diferencias entre fabricante y fabricante, no es lo mismo el lenguaje ensamblador para -<L que para '-+ o aun 4=*. 'ero dentro del mundo de los microcontroladores podemos encontrar +ompiladores de un lenguaje de alto nivel a ensamblador o mejor aun a Lenguaje 1aquina !.(ex".

'ara los microcontroladores 4=* podemos encontrar compiladores de lenguaje +, + , /asic, cada uno de ellos brinda distintas ventajas, una de ellas es el (ec(o de no tener que aprender nsamblador y trabajar en un lenguaje que el usuario domine, adem#s cada uno cuenta con -$ !4mbiente -ntegrado de $esarrollo" para un mejor dise5o de los programas. $entro de estos podemos citar el 4=*studioMAN que incluye compiladores de +, + y nsamblador, y el /4S+01MBN que incluye un compilador de /asic para microcontroladores 4=*. +omo ventaja principal se debe citar que todos estos -$ se pueden descargar gratis o en versiones $emo desde la >eb de sus respectivos fabricantes. xisten algunas plataformas educacionales de desarrollo basadas en micros 4=*, como el 4*$2-<0MDN, que b#sicamente es un c(ip 4=* con un bootloader, lo cual (ace que sea aun mas sencilla la programación.

Inter*aces de programación +on interfase de programación, se (ace referencia al (ard>are externo necesario para programar o descargar el programa escrito en el -$ a la memoria Olas( del microcontrolador, por ende este (ard>are P programador debe de conectarse a un puerto del '+. s en este punto donde se encuentra una gran variedad de opciones para el 4=*.

$entro de la familia 4=*, el c(ip dispone de un periférico especifico para la programación de su memoria, el puerto -S', el cual es un puerto serialformado por A pines del microcontrolador, son estosA pines los que se conectan a un programador y este a un puerto del '+, para realizar el grabado o QquemadoR del c(ip. xisten diferentes opciones para el (ard>are programador como puertos del '+, es decir existen un programador por puerto paralelo, un programador 2S/, un programador serial, etc. Sin embargo algo que destaca es lo simple de estos programadores, por ejemplo el Sample lectronics 'rogrammerM?7N o el SJC77M??N ambos para trabajar con el puerto paralelo del '+.

+omo se puede ver existen muc(as de opciones de programación para cada familia de microcontroladores, sin embargo se debe notar que los programadores para 4=* son un poco mas simples en circuiteria que los programadores para '-+, adem#s se debe observar el tipo de puerto disponible en el '+ para así elegir el programador y micro a usar.



(ar+metros para seleccionar un AVR, Arran-ue en *río l 4=* en el momento de arranque de la maquina, deber# excitarla a partir de las peque5as tensiones generadas por el magnetismo remanente, con frecuencias inferiores a la nominal y adem#s variable debido a la aceleración del motor impulsor.

$ension de %edicion, l 4=* debe poder sensar tensiones flotantes y bif#sicas.

(rotección por .a)a *recuencia 'ara evitar da5os por sobre excitación en los bobinados y diodos rotativos, en los momentos de arranque, parada o falla del motor impulsor, se debe mantener baja la tensión de salida mientras la frecuencia este por debajo del valor nominal.

Compensación de *recuencia V/0 n el caso de una sobrecarga transitoria que le (aga perder velocidad al motor impulsor mas all# de un limite seteado. ste deber# disminuir la tensión de salida proporcional a la perdida de velocidad. 4sí de este modo se disminuye la potencia generada dando la posibilidad al motor impulsor de recuperarse mas r#pidamente. sto le permite al grupo electrógeno soporta impactos de carga mayores.

!ímite de corriente



'ermite parametrízar al 4=* con distintas potencias de generadores protegiendo de esta manera bobinados, semiconductores y limitando la potencia reactiva que este puede generar cuando trabaja en paralelo.

(arada por so.re1e2citación n caso de producirse una elevación de la tensión de excitación por un tiempo prolongado se debe desKexcitar la maquina. ste tiempo es inversamente proporcional al valor de la sobre tensión y para resetear la falla se debe parar por completo el generador y arrancarlo nuevamente. sta función debe tener la posibilidad de desactivarse ya que no es posible usarla en maquinas que trabajan en paralelo ya que la desKexcitación de una de ellas causaría el colapso del sistema

A)uste remoto 'ermite al operador igualar las tensiones en el momento de sincronización para la entrada en paralelo con otras maquinas y efectuado este permite modificar la potencia reactiva que aporta este al sistema.

$rans*ormador de cuadratura 'roduce una caída de tensión proporcional a la potencia reactiva generada permitiendo de este modo un reparto de cargas estable durante la operación en paralelo.

Entradas de control especiales s cada vez m#s frecuente encontrar sistemas de generación autom#ticos que deben operar in atendidos donde dos o m#s generadores funcionan a demanda, efectu#ndose las maniobras de arranque, paralelo y distribución de cargas controladas por un 'L+ dedicado. 'ara estas situaciones el 4=* debe contar con una entrada opotoaislada que le permite al 'L+ modificar la tensión de salida por medio de una se5al controlada por anc(o de pulso !'1".

Diagrama de .lo-ues de un AVR,



n la parte superior se ve el esquema de la medición de tensión y la suma vectorial de la corriente que luego de pasar por un rectificador de precisión nos da como resultado la tensión real en bornes de la m#quina. $ebajo de este esquema se ve la 1edición de frecuencia y el generador de funciones que es el encargado de controlar la protección por baja frecuencia y la compensación de frecuencia. La protección por sobre excitación esta formada por un comparador de tensión, un integrador y un flipflop que memoriza la falla. n el margen izquierdo el punto de suma donde confluyen todas las referencias externas y las anteriores para entrar al amplificador de tensión, el que cuenta con un preset que le permite ajustar la ganancia. 4 continuación esta el bucle que controla la corriente de excitación el que esta compuesto por un amplificador de corriente, un modulador de #ngulo de disparo, puente rectificador de onda completa semicontrolado y las mediciones de corriente y tensión de salida, esta ultima usadas en la función de parada por sobre excitación!s(utdo>n". l bloque inferior es la fuente alimentación con un transformador de aislamiento y salidas reguladas y estabilizadas. n el diagrama de bloques se pueden observar también tres puentes el primero es para la selección de la frecuencia nominal de la maquina D7%@7 :z. l segundo para la selección de la tensión de alimentación del 4=* ??7%CC7=ca y el tercero es para la (abilitación de la función de parada por sobreKexcitación. ambién se ven tres L$) L? !verde" que indican tensión de sensado correcta, LC !verde" frecuencia mínima alcanzada y el ultimo LA !rojo" es activado cuando se sobrepasa la tensión m#xima de excitación. Los potenciómetros de preajuste son indicados por un circulo cruzado por una flec(a y tiene las funciones de ajuste de la frecuencia mínima, tensión nominal, ganancia del amplificador de tensión y limite de corriente de excitación

AVR 3R14567



st# pensado para ser usado en grupos electrógenos con generadores brus(lesss en el rango de C7 a 877 J=4 ya sean en equipos nuevos, como reemplazo de módulos importados o en aquellas aplicaciones donde sea necesario la utilización de generadores en paralelo controlados por 'L+.

Características generales8 • • • • • • •

ensión de excitación nominal) @D =++ +orriente de excitación m#xima) ?7 4mp 'uente de tiristores de onda completa semicontrolado. $iodo volante en circuito de ++. enerador de funciones para evitar sobrexcitación en el arranque. 1edición de tensión de sensado flotante. ensión de alimentación CC7 =% ??7= seleccionable mediante puente

Estradas y 9a.ilitaciones • • • • • •

/orneras de entrada y salida antivibratorias tipo O4SK0< ntrada para potenciómetro de ajuste remoto de tensión de salida. Selección frecuencia D7%@7 (z. 1ediante puente. :abilitación mediante puente de la función de bloqueo de por sobreKexcitación. ntrada de pulsos optoKaislada para ajuste de tensión mediante '1 ntrada para transformador de corriente en cuadratura para marc(a en paralelo

A)ustes mediante presets8 • • • •

4juste para Limite de corriente de excitación entre C y ?7 4mp. 'otenciómetro de ajuste de tensión nominal 4juste de ganancia amplificador de tensión !estabilidad" 'otenciómetro de ajuste fino de mínima frecuencia

Indicadores luminosos8 • •

L$ =erde de frecuencia mínima superada. L$ =erde presencia de tensión de medición



•

L$ *ojo de condición de bloqueo !S(utdo>n"

(rotecciones • • • •

Ousible de protección incorporado en el circuito impreso. =aristores de protección por sobre tensiones transitorias en 4+ y $+ /loqueo por sobre excitación tensión mayor de ED=++ temporizado 'rotección por perdida de la tensión de medición

Electrónica de potencia La expresión electrónica de potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles.

n este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la conducción !encendido y apagado" de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. sto al conformar equipos denominados convertidores est#ticos de potencia. $e esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la



velocidad y el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores. sto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de potencia y%o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia. l principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto &oule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte%saturación !on%off, encendido y apagado".

Dispositivos semiconductores de potencia 'ara estas aplicaciones se (an desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor . ntre estos se encuentran los siguientes) •

*ectificador controlado de silicio !S+* en inglés"

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riac

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ransistor -/, sigla para -nsulated ate /ipolar ransistor, ransistor /ipolar con compuerta aislada iristor 0, sigla para ated urnoff (yristor, iristor apagado por compuerta iristor -+, sigla para -nsulated ate +ontrolled (yristor, iristor controlado por compuerta iristor 1+, sigla para 10S +ontrolled (yristor

Convertidores de la energía eléctrica +onversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromec#nicos o electroquímicos. $ic(os dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores est#ticos de potencia, clasificados en) *ectificadores) convierten corriente alterna en corriente continua •

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-nversores) convierten corriente continua en corriente alterna +icloconversores ) convierten corriente alterna en corriente alterna de otra frecuencia menor +(oppers) convierten corriente continua en corriente continua de menor o mayor tensión



n la actualidad esta disciplina est# cobrando cada vez m#s importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos tradicionales, y su mayor versatilidad. 2n paso imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo de potentes motores.

Aplicaciones Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes) •

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Fuentes de alimentación: n la actualidad (an cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. stas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. l ejemplo m#s claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los ordenadores. Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar par#metros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. ste tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. sta técnica, denominada comercialmente como 3inverter3 sustituye el antiguo control encendido%apagado por una regulación de velocidad que permite a(orrar energía. 4simismo, se (a utilizado ampliamente en tracción ferroviaria, principalmente en ve(ículos aptos para corriente continua !+.+."durante las décadas de los a5os 67 y 87, ya que permite ajustar el consumo de energía a las necesidades reales del motor de tracción, en contraposición con el consumo que tenían los ve(ículos controlados por resistencias de arranque y frenado. 4ctualmente el sistema c(opper sigue siendo v#lido, pero ya no se emplea en la fabricación de nuevos ve(ículos, puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el motor trif#sico, muc(o m#s potente y fiable que el motor de colector.

Calentamiento por inducción: +onsiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de los 9:z, de manera que se (acen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia. La aplicación m#s vistosa se encuentra en las cocinas de inducción actuales. 0tras) +omo se (a comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de potencia. 4dem#s de las ya comentadas destacan) sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de control del



factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interface entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc. Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivos de potencia y control en un ;nico c(ip, reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones.
REG!AD"RE# A$"%A$IC"# DE $E&#I'& AVR RE!ACI"&AD" C"& E!EC$R"&ICA DE ("$E&CIA La función b#sica de un regulador autom#tico de tensión !4=*" es la de alimentar al circuito de excitación de tal manera de mantener constante la tensión de salida del generador dentro de ciertos rangos de frecuencia y carga.

Los 4=* son una familia de microcontroladores *-S+ del fabricante estadounidense 4tmel. La arquitectura de los 4=* fue concebida por dos estudiantes en el egian -nstitute of ec(nology, y posteriormente refinada y desarrollada en 4tmel ay, la empresa subsidiaria de 4tmel, fundada por los dos arquitectos del c(ip. +uenta con bastantes aficionados debido a su dise5o simple y la facilidad de programación. Se pueden dividir en los siguientes grupos ) •

•

4xmega) procesadores muy potentes con ?@ a A8B 9/ de memoria flas( programable, encapsulados de BB, @B y ?77 pines !4B, 4A, 4?", capacidad de $14, eventos, criptografía y amplio conjunto de periféricos con $4+s. 4mega) microcontroladores 4=* grandes con B a CD@ 9/ de memoria flas( programable, encapsulados de C8 a ?77 pines,conjunto de instrucciones



extendido !multiplicación y direccionamiento de programas mayores" y amplio conjunto de periféricos. •

4tiny) peque5os microcontroladores 4=* con 7,D a 8 9/ de memoria flas( programable, encapsulados de @ a C7 pines y un limitado set de periféricos.

•

4E72S/) 4mega integrado con controlador 2S/

•

4E7+4<) 4mega con controlador de bus +4<

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ipos especiales) algunos modelos especiales, por ejemplo, para el control de los cargadores de baterías, pantallas L+$ y los controles de los motores o la iluminación. 4E7S) tipos obsoletos, los 4=*s cl#sicos

/ajo el nombre 4=*AC, 4tmel tiene una arquitectura *-S+ de AC bits con soporte de $S' y S-1$. 4 pesar de la similitud de sus nombres y logotipos, las dos arquitecturas tienen poco en com;n. l 4=* es una +'2 de arquitectura :arvard. iene AC registros de 8 bits. 4lgunas instrucciones sólo operan en un subconjunto de estos registros. La concatenación de los AC registros, los registros de entrada%salida y la memoria de datos conforman un espacio de direcciones unificado, al cual se accede a través de operaciones de carga%almacenamiento. 4 diferencia de los microcontroladores '-+, el stac9 se ubica en este espacio de memoria unificado, y no est# limitado a un tama5o fijo. l 4=* fue dise5ado desde un comienzo para la ejecución eficiente de código + compilado. +omo este lenguaje utiliza profusamente punteros para el manejo de variables en memoria, los tres ;ltimos pares de registros internos del procesador son usados como punteros de ?@ bit al espacio de memoria externa, bajo los nombres F, G y H. sto es un compromiso que se (ace en arquitecturas de oc(o bit desde los tiempos de -ntel 8778, ya que su tama5o de palabra nativo de 8 bit !CD@ localidades accedidas" es pobre para direccionar. 'or otro lado, (acer que todo el banco superior de ?@ registros de 8 bit tenga un comportamiento alterno como un banco de 8 registros de ?@ bit, complicaría muc(o el dise5o, violando la premisa original de su simplicidad. 4dem#s, algunas instrucciones tales como Isuma inmediataI !Iadd immediateI en inglés" faltan, ya que la instrucción Iresta inmediataI !Isubstract immediateI en inglés" con el complemento dos puede ser usada como alternativa. l set de instrucciones 4=* est# implementado físicamente y disponible en el mercado en diferentes dispositivos, que comparten el mismo n;cleo 4=* pero tienen distintos periféricos y cantidades de *41 y *01) desde el microcontrolador de la familia Tiny 4tiny?? con ?J/ de memoria flas( y sin *41 !sólo los AC registros", y 8 pines, AVR (asta el microcontrolador 4megaCD@7 de la familia Mega AVR con CD@J/ de memoria flas(, 8J/ de memoria *41, BJ/ de memoria '*01, conversor an#logo digital de



?7 bits y ?@ canales, temporizadores, comparador analógico, &4, etc. La compatibilidad entre los distintos modelos es preservada en un grado razonable. Los microcontroladores 4=* tienen una ca5ería !IpipelineI en inglés" con dos etapas !cargar y ejecutar", que les permite ejecutar la mayoría de las instrucciones en un ciclo de reloj, lo que los (ace relativamente r#pidos entre los microcontroladores de 8Kbit. l set de instrucciones de los 4=* es m#s regular que la de la mayoría de los microcontroladores de 8Kbit !por ejemplo, los '-+". Sin embargo, no es completamente ortogonal) •

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Los registros punteros F, G y H tienen capacidades de direccionamiento diferentes entre sí !ver m#s arriba por qué". Los registros 7 al ?D tienen diferentes capacidades de direccionamiento que los registros ?@ al A?. Las registros de -%0 7 al A? tienen distintas características que las posiciones AC al @A. La instrucción +L* afecta los IflagI, mientras que la instrucción S* no lo (ace, a pesar de que parecen ser instrucciones complementarias !dejar todos los bits en ?, y dejar todos los bits en 7, respectivamente". Los códigos de operación 7xED+8 y 7xE77B (acen exactamente lo mismo !L'1".

+omo los 4=*, tiene una comunidad de seguidores !ejemplificadas por el foro de internet AVR Freaks", principalmente debido a la existencia de (erramientas de desarrollo gratuitas o de bajo coste. stos microcontroladores est#n soportados por tarjetas de desarrollo de costo razonable, capaces de descargar el código al microcontrolador, y por una versión de las (erramientas <2. sto ;ltimo es posible por su uniformidad en el acceso al espacio de memoria, propiedad de la que carecen los procesadores de memoria segmentada o por bancos, como el '-+ o el 87D? y sus derivados.

Venta)as principales •

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+ontrol estable y seguro de la maquinaria) 4=* perfectamente integrados y robustos para entornos industriales (ostiles. *egulación estable y precisa, incluso con tensiones altamente inestables. 4=* para diferentes aplicaciones) %S totalmente configurables, entradas de medición y un considerable interfaz de bus de campo para usuarios específicos permiten una f#cil integración de planta. Sistema de f#cil manipulación) monitoreo y mantenimiento :erramienta para la puesta en servicio intuitiva y f#cil de usar.



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Soporte completo para códigos de rejilla) stabilización del deslizamiento integrada !opcional", modelos de simulación y formación en código de rejilla. 4dministración eficaz del ciclo de vida del producto) 4umente la vida ;til de sus recursos con un coste mínimo. 4sistencia técnica profesional siempre a su alcance)*ed global de 4// de servicios de sistemas de excitación.

!engua)e de programación IDE de un AVR l microcontroladores por ser un sistema digital programable, necesita de un código de programa o firm>are que incluya las instrucciones necesarias para realizar el control del sistema embebido. l lenguaje de programación de un microcontrolador, es el Lenguaje nsamblador !.asm", lenguaje de bajo nivel, esteensamblador posee algunas diferencias entre fabricante y fabricante, no es lo mismo el lenguaje ensamblador para -<L que para '-+ o aun 4=*. 'ero dentro del mundo de los microcontroladores podemos encontrar +ompiladores de un lenguaje de alto nivel a ensamblador o mejor aun a Lenguaje 1aquina !.(ex".

'ara los microcontroladores 4=* podemos encontrar compiladores de lenguaje +, + , /asic, cada uno de ellos brinda distintas ventajas, una de ellas es el (ec(o de no tener que aprender nsamblador y trabajar en un lenguaje que el usuario domine, adem#s cada uno cuenta con -$ !4mbiente -ntegrado de $esarrollo" para un mejor dise5o de los programas. $entro de estos podemos citar el 4=*studioMAN que incluye compiladores de +, + y nsamblador, y el /4S+01MBN que incluye un compilador de /asic para microcontroladores 4=*. +omo ventaja principal se debe citar que todos estos -$ se pueden descargar gratis o en versiones $emo desde la >eb de sus respectivos fabricantes. xisten algunas plataformas educacionales de desarrollo basadas en micros 4=*, como el 4*$2-<0MDN, que b#sicamente es un c(ip 4=* con un bootloader, lo cual (ace que sea aun mas sencilla la programación.

Inter*aces de programación +on interfase de programación, se (ace referencia al (ard>are externo necesario para programar o descargar el programa escrito en el -$ a la memoria Olas( del microcontrolador, por ende este (ard>are P programador debe de conectarse a un puerto del '+. s en este punto donde se encuentra una gran variedad de opciones para el 4=*.

$entro de la familia 4=*, el c(ip dispone de un periférico especifico para la programación de su memoria, el puerto -S', el cual es un puerto serialformado por A pines del microcontrolador, son estosA pines los que se conectan a un programador y este a un puerto del '+, para realizar el grabado o QquemadoR del c(ip. xisten diferentes opciones para el (ard>are programador como puertos del '+, es decir existen un



programador por puerto paralelo, un programador 2S/, un programador serial, etc. Sin embargo algo que destaca es lo simple de estos programadores, por ejemplo el Sample lectronics 'rogrammerM?7N o el SJC77M??N ambos para trabajar con el puerto paralelo del '+.

+omo se puede ver existen muc(as de opciones de programación para cada familia de microcontroladores, sin embargo se debe notar que los programadores para 4=* son un poco mas simples en circuiteria que los programadores para '-+, adem#s se debe observar el tipo de puerto disponible en el '+ para así elegir el programador y micro a usar.

(ar+metros para seleccionar un AVR, Arran-ue en *río l 4=* en el momento de arranque de la maquina, deber# excitarla a partir de las peque5as tensiones generadas por el magnetismo remanente, con frecuencias inferiores a la nominal y adem#s variable debido a la aceleración del motor impulsor.

$ension de %edicion, l 4=* debe poder sensar tensiones flotantes y bif#sicas.

(rotección por .a)a *recuencia 'ara evitar da5os por sobre excitación en los bobinados y diodos rotativos, en los momentos de arranque, parada o falla del motor impulsor, se debe mantener baja la tensión de salida mientras la frecuencia este por debajo del valor nominal.



Compensación de *recuencia V/0 n el caso de una sobrecarga transitoria que le (aga perder velocidad al motor impulsor mas all# de un limite seteado. ste deber# disminuir la tensión de salida proporcional a la perdida de velocidad. 4sí de este modo se disminuye la potencia generada dando la posibilidad al motor impulsor de recuperarse mas r#pidamente. sto le permite al grupo electrógeno soporta impactos de carga mayores.

!ímite de corriente 'ermite parametrízar al 4=* con distintas potencias de generadores protegiendo de esta manera bobinados, semiconductores y limitando la potencia reactiva que este puede generar cuando trabaja en paralelo.

(arada por so.re1e2citación n caso de producirse una elevación de la tensión de excitación por un tiempo prolongado se debe desKexcitar la maquina. ste tiempo es inversamente proporcional al valor de la sobre tensión y para resetear la falla se debe parar por completo el generador y arrancarlo nuevamente. sta función debe tener la posibilidad de desactivarse ya que no es posible usarla en maquinas que trabajan en paralelo ya que la desKexcitación de una de ellas causaría el colapso del sistema

A)uste remoto 'ermite al operador igualar las tensiones en el momento de sincronización para la entrada en paralelo con otras maquinas y efectuado este permite modificar la potencia reactiva que aporta este al sistema.

$rans*ormador de cuadratura 'roduce una caída de tensión proporcional a la potencia reactiva generada permitiendo de este modo un reparto de cargas estable durante la operación en paralelo.

Entradas de control especiales s cada vez m#s frecuente encontrar sistemas de generación autom#ticos que deben operar in atendidos donde dos o m#s generadores funcionan a demanda, efectu#ndose las maniobras de arranque, paralelo y distribución de cargas controladas por un 'L+ dedicado. 'ara estas situaciones el 4=* debe contar con una entrada opotoaislada que le permite al 'L+ modificar la tensión de salida por medio de una se5al controlada por anc(o de pulso !'1".



Diagrama de .lo-ues de un AVR,

n la parte superior se ve el esquema de la medición de tensión y la suma vectorial de la corriente que luego de pasar por un rectificador de precisión nos da como resultado la tensión real en bornes de la m#quina. $ebajo de este esquema se ve la 1edición de frecuencia y el generador de funciones que es el encargado de controlar la protección por baja frecuencia y la compensación de frecuencia. La protección por sobre excitación esta formada por un comparador de tensión, un integrador y un flipflop que memoriza la falla. n el margen izquierdo el punto de suma donde confluyen todas las referencias externas y las anteriores para entrar al amplificador de tensión, el que cuenta con un preset que le permite ajustar la ganancia. 4 continuación esta el bucle que controla la corriente de excitación el que esta compuesto por un amplificador de corriente, un modulador de #ngulo de disparo, puente rectificador de onda completa semicontrolado y las mediciones de corriente y tensión de salida, esta ultima usadas en la función de parada por sobre excitación!s(utdo>n". l bloque inferior es la fuente alimentación con un transformador de aislamiento y salidas reguladas y estabilizadas. n el diagrama de bloques se pueden observar también tres puentes el primero es para la selección de la frecuencia nominal de la maquina D7%@7 :z. l segundo para la selección de la tensión de alimentación del 4=* ??7%CC7=ca y el tercero es para la (abilitación de la función de parada por sobreKexcitación. ambién se ven tres L$) L? !verde" que indican tensión de sensado correcta, LC !verde" frecuencia mínima alcanzada y el ultimo LA !rojo" es activado cuando se sobrepasa la tensión m#xima de excitación.



Los potenciómetros de preajuste son indicados por un circulo cruzado por una flec(a y tiene las funciones de ajuste de la frecuencia mínima, tensión nominal, ganancia del amplificador de tensión y limite de corriente de excitación

AVR 3R14567 st# pensado para ser usado en grupos electrógenos con generadores brus(lesss en el rango de C7 a 877 J=4 ya sean en equipos nuevos, como reemplazo de módulos importados o en aquellas aplicaciones donde sea necesario la utilización de generadores en paralelo controlados por 'L+.

Características generales8 • • • • • • •

ensión de excitación nominal) @D =++ +orriente de excitación m#xima) ?7 4mp 'uente de tiristores de onda completa semicontrolado. $iodo volante en circuito de ++. enerador de funciones para evitar sobrexcitación en el arranque. 1edición de tensión de sensado flotante. ensión de alimentación CC7 =% ??7= seleccionable mediante puente

Estradas y 9a.ilitaciones • • • • • •

/orneras de entrada y salida antivibratorias tipo O4SK0< ntrada para potenciómetro de ajuste remoto de tensión de salida. Selección frecuencia D7%@7 (z. 1ediante puente. :abilitación mediante puente de la función de bloqueo de por sobreKexcitación. ntrada de pulsos optoKaislada para ajuste de tensión mediante '1 ntrada para transformador de corriente en cuadratura para marc(a en paralelo

A)ustes mediante presets8 • •

4juste para Limite de corriente de excitación entre C y ?7 4mp. 'otenciómetro de ajuste de tensión nominal



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4juste de ganancia amplificador de tensión !estabilidad" 'otenciómetro de ajuste fino de mínima frecuencia

Indicadores luminosos8 • • •

L$ =erde de frecuencia mínima superada. L$ =erde presencia de tensión de medición L$ *ojo de condición de bloqueo !S(utdo>n"

(rotecciones • • • •

Ousible de protección incorporado en el circuito impreso. =aristores de protección por sobre tensiones transitorias en 4+ y $+ /loqueo por sobre excitación tensión mayor de ED=++ temporizado 'rotección por perdida de la tensión de medición

Grupo 4. Avr y Electronica de Potencia(Angel Ramos Cruz y Lenin Marron Mendoza)

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