INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
Proyecto “Inversor Monofásico en Puente”
Alumnos: Bautista Bautista Karen Nallely Martínez Ruíz Héctor Javier Rodríguez Martínez Nayely Anais Rubio López Edson Roberto Grupo: 6AM4 Materia: Electrónica II
OBJETIVO Generar una señal de semiperiodos iguales se empleara un generados de onda cuadrada y triangular construido a partir de amplificadores operacionales. Junto con un circuito comparador que tiene como misión generar una señal cuadrada de frecuencia constante cuya duración de pulso sea proporcional a una tensión de control, es decir, modulada en anchura de pulsos (PWM). Para eliminar la posible componente continua de la señal de la etapa anterior (generador de onda triangular) se incluye una etapa sumadora con el fin de que la señal triangular sea totalmente simétrica. Y de esta manera poder controlar la velocidad y el sentido de giro de un motor de C.D. utilizando un “Inversor monofásico en puente” y un PWM. INTRODUCCIÓN Un motor de CC puede ser operado en cualquier dirección y su torque electromagnético puede invertirse para el proceso de frenado. Dependiendo del sentido de circulación de la corriente de armadura y la tensión, se logra el cambio de estado en el funcionamiento del motor. Los distintos estados pueden observarse en la Fig. 1.
A fin de lograr el estado de funcionamiento deseado para el motor se requiere controlar en forma dinámica la corriente y tensión ten sión sobre el mismo. El elemento que realiza esta función se lo denomina convertidor o driver. Las topologías de convertidores se clasifican según el número de cuadrantes que gobiernan; estas son:
Convertidor de un cuadrante (step down) Convertidor de dos cuadrantes (half bridge) Convertidor de cuatro cuadrantes (full bridge)
La elección de la topología del convertidor se basa fundamentalmente en el tipo de control que se requiere para el funcionamiento del motor. Si se necesita controlar la velocidad en un solo sentido de giro, la topología adecuada es la del convertidor de un cuadrante. Si no se requiere una inversión de marcha, pero sí controlar el proceso de frenado; la topología apropiada es la del convertidor de dos cuadrantes. Para poder controlar la velocidad en ambos sentidos de giro y poder frenar la marcha, la topología a utilizar es la del convertidor de cuatro cuadrantes. Distintas técnicas pueden ser utilizadas para controlar la potencia aplicada al motor, de manera de lograr el comportamiento deseado. Una técnica que presenta alto rendimiento es la PWM. Esto se debe, a que en los convertidores PWM los transistores operan como llaves, es decir en corte y saturación, minimizando así las perdidas de energía. Los controladores PWM son los circuitos que transforman pulsos lógicos (baja potencia) en pulsos de corriente (potencia) para excitar los bobinados de los motores.
Capitulo 1 Fundamento Teórico
“
”
Amplificador Operacional Es un dispositivo de acoplo directo con entrada diferencial, y un único terminal de salida. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común fig 1. Una señal positiva en la entrada inversora (-), produce una señal negativa a la salida, mientras que la misma señal en la entrada no inversora (+) produce una señal positiva en la salida. Con una tensión de entrada diferencial, Vd, la tensión de salida, Vo, será a Vd, donde a es la ganancia del amplificador. Ambos terminales de entrada del amplificador se utilizarán siempre independientemente de la aplicación. La señal de salida es de un sólo terminal y está referida a masa, por consiguiente, se utilizan tensiones de alimentación bipolares (±). Teniendo en mente estas funciones de la entrada y salida, podemos definir ahora las propiedades del amplificador ideal. Son las siguientes: 1. La ganancia de tensión es infinita:
2. La resistencia de entrada es infinita:
3. La resistencia de salida es cero:
Ro = 0 4. El ancho de banda es infinito:
5. La tensión offset de entrada es cero:
V0 = 0 sí Vd = 0 A partir de estas características del AO, podemos deducir otras dos importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia en tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña.
Fig. 1 V0 = a Vd a = infinito Ri = infinito Ro = 0 BW (ancho de banda) = infinito V0 = 0 sí Vd = 0
El amplificador no inversor El amplificador no inversor, mostrado en la siguiente figura 2.
Fig. 2 En este circuito, la tensión Vi se aplica a la entrada (+), y una fracción de la señal de salida, Vo, se aplica a la entrada (-) a través del divisor de tensión R1 - R2. Puesto que, no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la tensión en R1 será igual a Vi. Así pues
Y como
Tendremos pues que:
Que si lo expresamos en términos de ganancia:
Que es la ecuación característica de ganancia para el amplificador no inversor ideal.
También se pueden deducir propiedades adicionales para esta configuración. El límite inferior de ganancia se produce cuando R2 = 0, lo que da lugar a una ganancia unidad. En el amplificador inversor, la corriente a través de R1 siempre determina la corriente a través de R2, independientemente del valor de R2, esto también es cierto en el amplificador no inversor. Luego R2 puede utilizarse como un control de ganancia lineal, capaz de incrementar la ganancia desde el mínimo unidad hasta un máximo de infinito. La impedancia de entrada es infinita, puesto que se trata de un amplificador ideal. El integrador Se ha visto que ambas configuraciones básicas del AO actúan para mantener constantemente la corriente de realimentación, IF igual a IIN.
Fig. 3 Una modificación del amplificador inversor, el integrador, mostrado en la figura 6, se aprovecha de esta característica. Se aplica una tensión de entrada VIN, a RG, lo que da lugar a una corriente IIN. Como ocurría en el amplificador inversor, V (-) = 0, puesto que V (+) = 0, y por tener impedancia infinita toda la corriente de entrada Iin pasa hacia el condensador CF, llamaremos a esta corriente IF. El elemento realimentador en el integrador es el condensador CF. Por consiguiente, la corriente constante IF, en CF da lugar a una rampa lineal de tensión. La tensión de salida es, por tanto, la integral de la corriente de entrada, que es forzada a cargar CF por el lazo de realimentación.
La variación de tensión en CF es
Lo que hace que la salida varíe por unidad de tiempo según:
Como en otras configuraciones del amplificador inversor, la impedancia de entrada es simplemente RG Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito
Amplificador Operacional 741 Este circuito integrado contiene internamente un amplificador diferencial (es capaz de amplificar la diferencia de dos tensiones de entrada) construido principalmente a partir de transistores y resistencias.
En las figuras se muestra su símbolo y aspecto real Símbolo del A.O.
Aspecto real del A.O.
Aunque el chip dispone de ocho patillas (pines) tres de ellas se reservan para funciones especiales el resto, tienen asignadas las siguientes funciones: Pin Nº 2: entrada de señal inversora. Pin Nº 3: entrada de señal no inversora. Pin Nº 6: terminal de salida. Pin Nº 7: terminal de alimentación positiva (Vcc) Pin Nº 4: terminal de alimentación negativa (-Vcc)
La alimentación del circuito puede realizar mediante una sola pila o mediante dos, en cuyo caso se denomina alimentación simétrica. El amplificador operacional recibe este nombre porque inicialmente fue diseñado para poder realizar operaciones matemáticas con señales eléctricas formando parte de los denominados calculadores analógicos. Hoy en día se emplea en infinidad de aparatos e instrumentos de la industria, medicina. etc... Entre las características más importantes que posee este circuito integrado, se pueden destacar: Alta impedancia (resistencia) de entrada: del orden de 1 MW, lo cual implica que la intensidad de corriente por los terminales de entrada será despreciable. Baja impedancia de salida: del orden de 150 W, pudiendo atacar cualquier carga (circuito) sin que su funcionamiento se modifique dependiendo del valor de ésta. Tensión máxima de alimentación: ±Vcc = ± 18 V. Implica que la tensión de salida nunca podrá superar a la de alimentación.
Alta ganancia de tensión en lazo abierto (sin conectar ningún componente entre la salida y cualquiera de las entradas) con pequeños valores de tensión en los terminales de entrada se consiguen grandes tensiones de salida. INVERSORES Un inversor, también llamado ondulador, es un circuito utilizado para convertir corriente continua en corriente alterna. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente directa a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores son utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta potencia. Los inversores también son utilizados para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aislada. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal. Los inversores controlados son de dos tipos: los VSI o inversores fuente de voltaje y los CSI o inversores fuente de corriente. En nuestro caso, el primer tipo será motivo de atención debido a su mayor aplicación dentro de la ingeniería industrial. Existen tres categorías en las que se dividen los VSI, ellas son: a) Los inversores PWM o de ancho de pulso modulado. Este tipo es capaz de controlar la magnitud y frecuencia de la señal de salida mediante la modulación del ancho del pulso de los interruptores del inversor. Para ello existen varios esquemas que se encargan de producir voltajes de ca con forma de onda seno y bajo contenido de armónicos. b) Los inversores de onda cuadrada. Este tipo controla la frecuencia de la señal de salida y la magnitud de salida es controlada por otro dispositivo en la entrada cd del inversor. Sin embargo, la forma de onda lograda a través del mismo es una onda cuadrada. c) Los inversores monofásicos con inversión de voltaje. Este tipo combina las características de las dos primeras agrupaciones de inversores mencionados y no es aplicable a dispositivos trifásicos
Inversor monofásico PWM Un puente inversor monofásico (figura 1) entrega como salida de voltaje una onda cuadrada de amplitud Vd mediante la conmutación de transistores en pares diagonales; sin embargo si se introduce un desplazamiento de fase de 120 entre la conmutación de cada rama como se muestra en al figura, el voltaje de salida VAB(igual a Va0-Vb0) es una onda casi cuadrada con intervalos de cero voltaje de 120 de duración en cada medio ciclo. Estos intervalos corresponden a las veces en que las terminales Ay B están conectadas simultáneamente al suministro de dc y la corriente de carga q circula a través del transistor y del ciclo de marcha libre.
La importancia de esta técnica es que el voltaje fundamental de salida puede variarse desde el valor máximo hasta cero mediante el avance de los ángulos de conducción de TR3 y TR4 desde cero hasta 180 .Este método generalmente de control de voltaje es llamado modulación por ancho de pulsos(PWM) y esta técnica en particular se denomina modulación de anchura de un pulso por semiperiodo. En general, el proceso de PWM modifica el contenido armónico del voltaje de salida y puede usarse para minimizar efectos armónicos indeseables en al carga.
PUENTE H En el circuito de abajo vemos un Puente H de transistores, nombre que surge, obviamente, de la posición de los transistores en una distribución que recuerda la letra H. Esta configuración es una de las más utilizadas en el control de motores de CC, cuando es necesario que se pueda invertir el sentido de giro del motor.
Funcionamiento: Aplicando una señal positiva en la entrada marcada AVANCE se hace conducir al transistor Q1. La corriente de Q1 circula por las bases, de Q2 y Q5, haciendo que el terminal a del motor reciba un positivo y e terminal b el negativo (tierra).
Si en cambio se aplica señal en la entrada RETROCESO, se hace conducir al transistor Q6, que cierra su corriente por las bases, de Q4 y Q3. En este caso se aplica el positivo al terminal b del motor y el negativo (tierra) al terminal a del motor.
Una de las cosas muy importantes que se deben tener en cuenta en el control de este circuito es que las señales AVANCE y RETROCESO jamás deben coincidir. Si esto ocurre los transistores, Q2, Q3, Q4 y Q5 cerrarán circuito directamente entre el positivo de la fuente de alimentación y tierra, sin pasar por el motor, de modo que es seguro que se excederá la capacidad de corriente Emisor-Colector y los transistores, se dañarán para siempre. Y si la fuente no posee protección, también podrá sufrir importantes daños. Al efecto existen varias formas de asegurarse de esto, utilizando circuitos que impiden esta situación (llamados “de
interlock"), generalmente digitales, basados en compuertas lógicas. Abajo mostramos un ejemplo. Circuito de "Interlock" que evita que ambas señales se activen al mismo tiempo
El funcionamiento es bastante simple. Las dos entradas llegan a una compuerta OR Exclusiva, por lo que a la salida de esta solo habrá un 1 lógico cuando una y solo una de las entradas se encuentre en 1, mientras que la otra se encuentre en 0. Si ambas entradas se encuentran en 1 o ambas en 0, en la salida de esta compuerta encontraremos un 0 lógico. Luego, la salida de esta compuerta OR Exclusiva va conectada a dos compuertas AND, una para cada entrada del circuito. La otra entrada de cada compuerta AND va conectada también a las entradas de pulso. Esto provoca finalmente que, multiplicado por el 1 lógico que entrega la compuerta OR Exclusiva, tengamos un 1 lógico final solo en la salida de la compuerta AND correspondiente a la entrada que está activa (derecha, o izquierda) A su vez, como estas compuertas AND dependen del 1 lógico entregado por la compuerta OR Exclusiva, ya sea ambas entradas estén en 1 o ambas entradas estén en 0, en la salida no tendremos más que un 0 lógico. El circuito queda automáticamente bloqueado si ambas entradas se activan.
Puente H con Interlock
Así quedaría el puente h con el interlock incluido Puente H El circuito Puente H sólo permite un funcionamiento SÍ-NO del motor, a plena potencia en un sentido o en el otro (además del estado de detención, por supuesto), pero no ofrece un modo de controlar la velocidad. Si es necesario hacerlo, se puede apelar a la regulación del voltaje de la fuente de alimentación, variando su potencial de 7,2 V hacia abajo para reducir la velocidad. Esta variación de tensión de fuente produce la necesaria variación de corriente en el motor y, por consiguiente, de su velocidad de giro. Es una solución que puede funcionar en muchos casos, pero se trata de una regulación primitiva, que podría no funcionar en aquellas situaciones en las que el motor está sujeto a variaciones de carga mecánica, es decir que debe moverse aplicando fuerzas diferentes. Una de las maneras de lograr un control de la velocidad es tener algún tipo de realimentación, es decir, algún artefacto que permita medir a qué velocidad está girando el motor y entonces, en base a lo medido, regular la corriente en más o en
menos. Este tipo de circuito requiere algún artefacto de senseo (sensor) montado sobre el eje del motor. A este elemento se le llama tacómetro y suele ser un generador de CC (otro motor de CC cumple perfectamente la función, aunque podrá ser uno de mucho menor potencia), un sistema de tacómetro digital óptico, con un disco de ranuras o bandas blancas y negras montado sobre el eje, u otros sistemas, como los de pickups magnéticos. PWM: Modulación por anchura de pulsos (pulse-width modulation). Introducción La modulación por anchura de pulsos (ó PWM, del ingles pulse-width modulation) es una técnica de modulación en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica para, entre otras cosas, variar la velocidad de un motor. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación al período. Cuando más tiempo pase la señal en estado alto, mayor será la velocidad del motor. Este tren de pulsos, en realidad, hace que el motor marche alimentado por la tensión máxima de la señal durante el tiempo en que esta se encuentra en estado alto, y que pare en los tiempos en que la señal esta en estado bajo.
Modulación por anchura de pulsos Frecuencia de la señal portadora La frecuencia de la señal portadora no debe ser elegida alegremente, si no que se debe tener en cuenta que la relación de amplitudes entre la señal portadora y la
moduladora sean tales, que la relación entre la frecuencia de la portadora y la de señal sea de 10 a 1 como mínimo. Aplicaciones El abanico de aplicaciones en las que se puede utilizar esta técnica es muy amplio, incluyendo el control de fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones, tales como el manejo de servos de modelismo. En la actualidad existen muchos circuitos integrados que integran la función PWM, tales como los microcontroladores PIC que hemos utilizado en otros proyectos. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados compañías como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y algunas otras mas.
PWM utilizado para generar una onda cuasi sinusoidal. En relación a los motores, que es de lo que trata este documento, podemos decir que la modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. Se utiliza, como su nombre lo indica, al controlar mediante algún circuito de potencia el momento alto (encendido o alimentado) y el momento bajo (apagado o desconectado) del motor. Otros sistemas para regular la velocidad modifican la tensión eléctrica, con lo que disminuye el par motor; o interponen una resistencia eléctrica, con lo que se pierde energía en forma de calor en esta resistencia.
Duty Cycle Recibe este nombre la relación de tiempos entre el estado alto y bajo de la señal utilizada. Se expresa como un porcentaje entre el periodo y el ancho del pulso. Cuando el Duty Cycle es cercano al 100%, el motor girara a una velocidad cercana a la máxima, ya que la tensión promedio aplicada en sus bornes será casi igual a V. Si el Duty Cycle se aproxima a 0%, el motor girara muy despacio, ya que la tensión promedio será casi cero.
PWM utilizado para generar una onda cuasi sinusoidal. Tiempos Muertos Entre las causas de distorsión están el rango tiempo muerto y la interferencia debida a la alta frecuencia de conmutación. En la Fig. 7 se observa los retardos (tiempos muertos) impuestos en las señales de control de las llaves para que no se produzcan cortocircuitos en las ramas del convertidor.
Fig. 7: Tiempo muerto
El "tiempo muerto" es el periodo en la transición de un interruptor durante el cual los dos MOSFETs de salida están en modo de corte y ambos están apagados. Los tiempos muertos necesitan ser tan cortos como sea posible para mantener una salida con poca distorsión, pero los tiempos muertos que son demasiado cortos provocan que el MOSFET que se está encendiendo empiece a conducir antes de que el MOSFET que se está apagando deje de conducir. Los MOSFETS acortan el voltaje de alimentación de salida a través de ellos mismos, una condición llamada "shoot-through". Mientras tanto, los controladores de MOSFET también necesitan controlar a los MOSFETS entre estados de conmutación tan rápidamente como sea posible para minimizar el tiempo en el que un MOSFET está en la zona lineal (es decir, el estado entre corte y saturación donde el MOSFET no está completamente encendido ni apagado y conduce con una resistencia considerable, creando algo de calor). Un error en el controlador que permita alguno de estos dos fenómenos típicamente resulta en la falla de los MOSFETs. La repuesta en frecuencia final y la distorsión no dependen solamente de la frecuencia de conmutación y del filtro de salida sino también en la carga (o sistema de altavoces) conectado a la salida del amplificador. Un sistema de altavoces puede contener un solo controlador (altavoz) o varios con un filtro de cruce pasivo. La impedancia del altavoz no es fija sino que cambia con la frecuencia, y esto debe añadirse a los problemas propios del filtro de cruce. Esto significa que la carga conectada al amplificador no es puramente resistiva y cambia con la frecuencia de la señal de audio que sale del amplificador, provocando anomalías en la respuesta en frecuencia final (incluyendo los picos de voltaje, la oscilación y la distorsión). Por tanto, muchos amplificadores Clase D de alta calidad emplean realimentación negativa para corregir anomalías de frecuencia y fase debidas a la impedancia del altavoz y el filtro de cruce. Esto hace el diseño de un amplificador Clase D aún más complejo. Entre las causas de distorsión están el rango tiempo muerto y la interferencia debida a la alta frecuencia de conmutación.
Armónicos Introducción Una función periódica no senoidal puede ser descompuesta en la suma de una función senoidal de la frecuencia fundamental y de otras funciones senoidales, cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Estas funciones adicionales son conocidas como componentes armónicas o simplemente como Armónicos. En sistemas eléctricos la palabra Armónicos se utiliza para designar corrientes o tensiones de frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental de la alimentación. Si la frecuencia de la señal eléctrica es inferior a la fundamental, recibe el nombre de subarmónico, ésta podría ocasionar parpadeos luminosos, perceptibles visualmente, denominados Flicker. Fuentes de Armónicos Las cargas no lineales conectadas a la red eléctrica absorben corrientes en impulsos bruscos. Estos impulsos crean ondas de corriente distorsionadas que originan a su vez corrientes de armónicos de retorno hacia otras partes del sistema de alimentación. Como ejemplos más típicos de cargas no lineales podemos destacar: Rectificadores Monofásicos La tensión alterna de entrada, una vez rectificada por los diodos, se utiliza para cargar un condensador. Después de un semiperiodo, el condensador se carga a la tensión de pico de la onda senoidal. Entonces el equipo electrónico absorbe corriente de esta elevada tensión de continua para alimentar al resto del circuito. El equipo puede absorber corriente hasta alcanzar un límite mínimo regulado. Básicamente el condensador sólo absorbe un impulso de corriente durante la cresta de la onda.
Los equipos que poseen fuente de alimentación con condensador y diodos son ordenadores, impresoras, aparatos de medicina y televisores. Los armónicos que generan son de orden impar con una amplitud inversamente proporcional al orden del armónico. Estos contaminantes adquieren importancia cuando un gran número de unidades están simultáneamente activadas.
Rectificadores Trifásicos La configuración típica de los rectificadores trifásicos corresponde al puente de Graetz:
Estudios teóricos, confirmados por la práctica, determinan que estos rectificadores inyectan armónicos de orden: n=k·p±1 Donde: n = orden del armónico p = número de pulsos del rectificador k = entero positivo 1, 2, 3... Las amplitudes de corrientes armónicas características son inversamente proporcionales al orden del armónico, al igual que en el rectificador monofásico. Los equipos más difundidos que incluyen rectificador trifásico son SAIs (Sistemas de Alimentación Ininterrumpida) y Variadores de Velocidad o Convertidores de Frecuencia.
Reguladores de Tensión Son dispositivos con aplicaciones muy variadas, entre las que se incluye la variación de intensidad luminosa o la regulación de determinados aparatos, como calefactores eléctricos. Estos equipos producen armónicos, subarmónicos e interarmónicos cuya amplitud varía con la posición de regulación. Hornos de Arco El retraso en el encendido del arco, y sobre todo su característica negativa (resistencia no lineal) hacen que el arco eléctrico pueda considerarse como una importante fuente perturbadora conectada a la red. En la fase inicial de fusión las perturbaciones son máximas. Mediciones efectuadas en diferentes hornos de arco muestran que las intensidades contienen casi todos los armónicos. Transformadores El circuito magnético de los transformadores posee una característica no lineal a partir del codo de saturación que puede distorsionar las ondas de tensión e intensidad. En la práctica razones económicas suelen imponer trabajar con valores de inducción entrados en el codo de saturación. Por tanto, la aplicación de una tensión senoidal no producirá excitación senoidal, e inversamente el flujo de intensidades senoidales será acompañado de tensiones no senoidales entre primario y secundario del transformador. Efectos de los Armónicos Los principales inconvenientes causados por los armónicos se pueden resumir en:
Efectos cuasi-instantáneos Fallo de interruptores automáticos por efecto di/dt Operación incorrecta de contactores y relés Interferencia con sistemas de comunicación (telemandos y sistemas telefónicos). Reseteo de ordenadores y errores en PLCs. Efectos medios o cuadráticos Calentamiento y hasta destrucción de condensadores por sobretensión. Su impedancia decrece proporcionalmente con el orden de los armónicos presentes. Sobrecalentamiento y averías en transformadores Calentamiento de motores de inducción
Pérdidas en el cobre de los conductores por efecto skin. Efecto proporcional a la frecuencia, en corriente alterna la intensidad se acumula en los extremos del cable por lo que se reduce la sección efectiva del mismo. Pérdidas dieléctricas en condensadores Intensidades en los conductores de neutro, incluso en redes equilibradas producido por los armónicos triples (3, 6, 9, 12, ...) Efectos de resonancia
La impedancia de inductancias y condensadores depende de la frecuencia. La conexión en serie o en paralelo de inductancias y condensadores da lugar a situaciones singulares, denominadas de resonancia, en las cuales la impedancia se hace mínima o máxima Errores en equipos de medida Errores de medición de energía activa, reactiva y factor de potencia. Lecturas erróneas con multímetros basados en el valor medio o con poco ancho de banda. La magnitud de los costes originados por la operación de sistemas y equipos eléctricos con tensiones y corrientes distorsionadas puede percibirse considerando lo siguiente: Una elevación de sólo 10ºC de la temperatura máxima del aislamiento de un conductor reduce a la mitad su vida útil. Un aumento del 10% de la tensión máxima del dieléctrico de un condensador reduce a la mitad su vida útil. Limites de Distorsión La CEI (Comisión Electrotécnica Internacional) y el CENELEC (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica) han establecido normas que limitan perturbaciones de baja frecuencia en redes industriales y domésticas, como las normas IEC 61000 y EN 61000. Los parámetros manejados por la normativa para establecer los límites de la perturbación por armónicos son: Orden de un armónico (n): Relación entre la frecuencia del armónico (fn) y la frecuencia fundamental (f1). n = fn/f1
Tasa de distorsión individual (%U ó %I): Relación entre el valor eficaz de la tensión o corriente armónica (Un ó In) y el valor eficaz de la correspondiente componente fundamental. %Un = 100 Un/U1 %In = 100 In/I1 Distorsión Armónica Total (THD%U ó THD%I): Relación entre el valor eficaz de las componentes armónicas de tensión o intensidad y el correspondiente valor fundamental. En EEUU ya está vigente la normativa IEEE 519 que limita la cantidad de corriente armónica inyectada a la red general, y responsabiliza al cliente por la misma. En España, el límite aceptado por UNIPEDE (Unión de productores y distribuidores de energía eléctrica) es de THD(U) = 5% para redes industriales en baja tensión, mientras que en alta tensión el nivel máximo recomendado por los organismos internacionales es de THD(U) = 3%.
Capitulo 2 Desarrollo del Proyecto
“
”
Para generar una señal de semiperiodos iguales se empleara un generador de onda cuadrada y triangular construido a partir de amplificadores operacionales, tal y como se muestra en la sig. Figura.
Esta parte del dispositivo se armo con el siguiente material: Cantidad 2 2 2 1 1
Material Amplificadores Operacionales 741 Potenciómetros 100kΩ Resistores 100kΩ Resistor 10kΩ
Capacitor 1nf
Esta compuesto por una base Schmitt (no inversora-simétrica) y por un integrador Miller. El funcionamiento de la bascula inversora es el siguiente: cuando la tensión de salida (Va) es positiva (+Vcc=+15V) y la tensión de entrada a la misma (Vs) disminuye, conmutara cuando Vs=Vsb y, por tanto, Va=-Vcc=-15V. Y por el contrario si la tensión de salida es Va es negativa, pasara todo lo contrario.
De tal manera con el siguiente material se procedió a armar el generador de onda triangular en un protoboard, quedando de la siguiente manera (recuadro negro).
. La salida de este circuito ira conectada a la entrada Vs de nuestro circuito comparador PWM. El PWM tiene por misión generar una señal cuadrada de frecuencia constante y cuya duración de pulso sea proporcional a una tensión de control, es decir, modulada en anchura de pulsos (PWM). Para eliminar la posible componente continua de la señal obtenida en la etapa anterior (generador de onda triangular) se incluye una etapa sumadora (U IA) con el fin de que la señal triangular sea totalmente simétrica. Por otra parte, la señal procedente del regulador de intensidad (V control) sera la empleada para comparar la señal triangular y generar asi la señal modulada en anchura de pulsos (PWM). El semiciclo negativo de dicha señal será eliminado mediante la etapa de salida (Q1), obteniéndose asi señales triangulares. Para armar el PWM será necesario utilizar los siguientes componentes electrónicos. Cantidad 2 2 3 1 1 3 1
Material Amplificadores Operacionales 741 Potenciómetros de 10kΩ Resistores de 100kΩ
Diodo 1N4148 Transistor BC547 Resistores de 10kΩ Resistor de 1kΩ
Con el material se procede a armar el siguiente circuito:
Este circuito será interconectado con el generador de onda triangular, quedando de la siguiente manera en el protoboard.
El PWM se llevara a una placa fenolica de 10*5 quedando representado en la siguiente figura.
Por lo tanto se interconectan los 2 circuitos antes mencionados y se llevan a una placa fenolica de 10*10, ya que el circuito es demasiado grande. La siguiente parte del circuito es el inversor monofásico en puente H, esta parte del circuito nos servirá para producir un cambio en el sentido de la corriente y así generar un cambio del sentido giro en el motor. Para construir un puente H será necesario el siguiente material: Cantidad 2 2 2 2 1 4 1
Material Tip 31 Tip 32
2N2222 Resistores 27Ω Resistores 1 kΩ Diodos 1N4004 Motor de Cd 12V
Con dicho material se procede a elaborar el circuito en protoboard en base al siguiente diagrama.
Quedando de tal forma en el protoboard.
En dicho caso que se requiera mas de un puente H para un circuito el circuito impreso queda de la siguiente manera.
Por ultimo se procede a conectar los 3 circuitos antes mencionados: Generador de Onda triangular, PWM, puente H. Y de esta forma se podrá controlar el sentido de giro en un motor de CD como también su velocidad de rotación en este. El circuito completo se arma en una placa fenolica de 10*15, quedando representado de la siguiente manera.
