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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVARDecanato de Estudios de Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO, ELABORACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN RECTIFICADOR TRIFÁSICO CONTROLADO MEDIANTE PID DIGITAL COMO ELEMENTO PRIMARIO DE REGULACIÓN PARA UNA FUENTE DC DE LABORATORIO DE 15 KW Por Jorge Luis Unamo Marquez Sartenejas Septiembre, 2006 i UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios de Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO, ELABORACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN RECTIFICADOR TRIFÁSICO CONTROLADO MEDIANTE PID DIGITAL COMO ELEMENTO PRIMARIO DE REGULACIÓN PARA UNA FUENTE DC DE LABORATORIO DE 15 KW Por Jorge Luis Unamo Marquez Realizado con la Asesoría de Julio Walter PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar Como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, Septiembre de 2008 ii UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios de Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO, ELABORACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN RECTIFICADOR TRIFÁSICO CONTROLADO MEDIANTE PID DIGITAL COMO ELEMENTO PRIMARIO DE REGULACIÓN PARA UNA FUENTE DC DE LABORATORIO DE 15 KW PROYECTO DE GRADO PRESENTADO POR JORGE LUIS UNAMO MARQUEZ CARNET: 9831328 REALIZADO CON LA ASESORÍA DE JULIO WALTER RESUMEN Existen necesidades de laboratorio para una fuente DC de muy alta potencia que sin embargo posea buena regulación y bajo ruido. Para éste tipo de caso siempre ha sido utilizado un elemento lineal de control de la tensión de salida, el inconveniente es que inclusive desde potencias bajas la disipación del elemento de control se hace prohibitiva, por lo que se usan métodos alternos de regulación, tales como control de fase y sistemas conmutados. Estos sistemas adolecen de problemas de regulación y de ruido. Sin embargo, realizando una combinación de ambas propuestas (lineal y conmutada) se puede obtener una fuente con baja disipación de potencia y excelente regulación. Por ello se ha diseñado y construido una fuente DC de 15kW que cumpla con las características de versatilidad, buena regulación y bajo ruido. El sistema de control utilizado se basa en un grupo de microcontroladores PIC’s y CPDL’s en configuración maestro esclavo y un protocolo robusto de comunicación I2C. Para la adquisición y procesamiento de los datos experimentales se desarrollo una interfaz gráfica usando la ayuda de un software comercial (LabView). La comunicación entre la fuente y la interfaz esta fundamentada en el estándar RS-232. El desarrollo de un prototipo de una fuente de éste estilo, permite el dominio de la tecnología envuelta en ella para una futura estandarización, y de ésta manera explotar al máximo sus ventajas, además hace de la fuente un producto altamente comercial gracias a sus múltiples cualidades. PALABRAS CLAVES Sistema, medición, comunicación, innovación, eficiencia, transferencia tecnológica, procesamiento, robusto, disipación, regulación, ruido. Sartenejas, Septiembre de 2008 . su paciencia y por que no decirlo también sus regaños. una conversación liberadora. una palmada en la espalda. Este trabajo es producto de muchos altibajos en mi vida y de muchas interacciones con distintas empresas. una respuesta acertada. GRACIAS… Pudiese extenderme hojas y hojas de personas. instituciones y personas. No vale la pena enumerar la cantidad de inconvenientes que se me presentaron a lo largo de esta ardua carrera para poder optar por el título de Ingeniero Electrónico. palabras y agradecimientos porque realmente fui muy afortunado al tener a mi alrededor grandes personajes que nunca dudaron de mi y mi capacidad. una sonrisa.iii AGRADECIMIENTO Hace algunos años cuando decidí comenzar una carrera universitaria jamás pensé que sería tan gratificante escribir unas pocas líneas como estas. Pero no puedo terminar éste pequeño agradecimiento sin antes mencionar a mis padres Jorge Unamo y Magaly Marquez. lo que si es conveniente resaltar son nombres como: Julio Walter Thaís Gómez Alexabel Liendo Tomas Ramos José Unamo Joel Salazar Nereida García Rubén Fernández Manuel González David Madrid Rafael el Manga Jairo Pascuzzo Jesús Canales Nidia Goncalves Georman Calderón Entre otras muchas personas que en algún momento me brindaron su apoyo. Instituciones tales como “Fundación Instituto de Ingeniería” en la que hoy en día trabajo y personas como Julio Walter con el que he establecido una gran amistad. A todas esas personas que no mencione y no por eso son menos importantes y a todas las mencionadas aquí les extiendo mi más sincero e infinito agradecimiento. sin ellos nada de esto hubiese sido posible. ..4 Tarjeta de Control............................ Planteamiento del problema ........ 26 3.8.........7........................... 26 3.................7..... 27 3..........2 3............................................7....................................2 3............ 30 3..................4.....2 Modulo Rectificador y Filtro LC ..........................................................................................4........2 2.................................1 2................. 8 2....3 2......................31 La Tarjeta Visualizadora.......................4............3.......................................................................19 Bus I2C ........... 3 2...... 2 Cuerpo del Trabajo........................................... Objetivo General ........................4 Voltajes Trifásicos.........4.....4.....................................................3 Efecto Hall clásico ...........................................5.............................................1 El SCR............12 2................2............................................................................................................... Introducción ..........2......................4.....................................................................................32 El Transistor de Potencia IGBT ................. 5 2.........2.....4... 18 2.........4......................................... Limitaciones ......................... 28 3...................... 20 2......................................1............... 3 2........8 Comunicación y Transmisión de Datos ... 3 2...................20 Protocolo Serial .........4................................1 Sincronización de las Señales..................................... 6 2...................................................1..............1 2............4................................................................. 1 1.........6 El controlador PID ............... Reguladores Conmutados ......23 Sistema Adjudicado ................... 2 1.......3 Tarjetas de Control.................... Objetivos Específicos..................2 El Transistor IGBT....................................... 1 1..................... Esquema de la Fuente DC........... 4 2............................. 2.....................................................2.5 Rectificador Trifásico Completamente Controlado ........................................................................ Justificación........19 Regulador de Tensión en Serie ..................................4........................1 3...................... 4 2............................................ Hipótesis ...iv Índice General 1........................................7 Reguladores de Tensión ............................3...............................................................4...........2...................... Visualizadora y Fuente Conmutada ....... 7 2......................... 26 3......................... Delimitación ..........................1 El Transformador de Potencia................................................ 3 2....................18 Reguladores Lineales.............................................................................. Fundamentos Teóricos ...4........... 34 ........3... 15 2..................8..............................................................................................4............................3... Presentación ..............................................4...........4...........................2...................... 1 1.......2..............................................2...1............................................2....... .....1....................5 Cableado Preliminar................... 96 8....................... Resultados Experimentales y Consideraciones teóricas..................... 40 4...............3..................................93 6......................................... 66 5...................4.2.............................................. Presentación ................ Rectificación Trifásica.......................................1................. 48 5....................................1....... 41 5.....2........... 63 5........................................ Captura de la Consigna de Voltaje ..... Control de Potencia .2 Sincronización de los Disparos ...................84 5........3 Modificación de La consigna del PID discreto...........................2.................2 Ampliación de la Interfaz Gráfica ..............2 5............4 Chasis General...............................3................1 5................................................... Conclusiones .........4..........................................................................4......... 36 4..................3......................................................3.................................................... Recomendaciones .. 37 4....................73 Mejoramiento de la Comunicación Serial .......... 60 5......4........3 Control...................4..3 Duración del Pulso de Disparo y Observación de la Onda Rectificada ......................................... 81 5.........2......................2...1 Modificación en el Código Fuente del PIC........ Regulación Lineal ................... 36 4........... 7........ 46 5...... El PID Discreto ............ 97 Bibliografía ..........v 4......90 Máxima Potencia Entregada ................................74 Almacenamiento en la EEPROM del PIC .......4 Pruebas Finales de la Fuente ......1 Calibración de la Fuente ......................... 36 4...........................2 Regulación de Carga........2...... 39 4.........................1 5......................4.................. Dinámica .......................................................................4................................4......2........2 Modelo Matemático del Filtro LC y Entonación Teórica del PID..........3 Pruebas Preliminares de Regulación Lineal.................................................1 Acondicionamiento de las Señales de Disparo ............3 Implementación del Controlador PID Discreto..........1... 73 5.3.............................................. Diferencia de Voltaje entre los Extremos del Regulador........................................4.......... 96 7. 46 5........................4................................................... 46 5................................................. 76 5.........................4...2 Visualización....... 60 5..................................................2...................... 87 5........................................... 36 4....... 73 5... 46 5................... Piezas y Partes Faltantes...........4................................1.......1..2.... Presentación ...1 Rectificación y Filtrado...........4................................. Culminación del Chasis y Cableado......... 99 .................................................... 95 7......................................... 53 5..........................1 Caracterización del Rectificador ................................ 96 7.....................................76 5..................................................................2..............................2....................................................3................. ....................................................2................................. Hoja Técnica del Codificador Óptico ....... 100 9................. Código Final del PIC de Control...............................1.... 101 9.................. 110 ..............vi 9................................................................3................ Apéndice................................4..... Código Inicial del PIC de Control..... Tablas de Calibración de los Instrumento .. 100 9......... 109 9......... .........................13: Señales de disparo con sus respectivas referencias para α=0 ............................15: Diagrama de bloques de un regulador de tensión lineal ...................................11: Representación fasorial de los voltajes de fase y los voltajes de línea................. .. ...13 Fig......... detalle de la forma de onda del voltaje de salida según el ángulo de disparo α y promedio del voltaje (DC)............. 2........................ 2.....................10: Defasaje del voltaje de línea RB con respecto a los 3 voltajes de fase...................vii Índice de Tablas y Figuras Fig................... colector (C) y emisor (E) y su circuito equivalente.. ......4: Efecto Hall clásico.20 Fig...........................17: Estructura de un BUS I2C... 2....15 Fig............27 .... 2..... ............. 2...............................14: Señales de disparo con sus respectivas referencias para α=60.......................................................12 Fig..6 Fig.............1: Esquema básico de la fuente con control independiente entre el rectificador y el regulador................... 2.............................1: Esquema básico del SCR y su respectivo símbolo ....7: Voltajes trifásicos................................16: a) Regulador de tensión en serie simple............................................. 2..... 2............. b) Regulador de tensión en serie basado en un AO ....... .....26 Fig.................. 2.............................................................................................8 Fig... 2................11 Fig.....................3: Sección de un IGBT .............................. 3......9: DC de salida...................................5 Fig........14 Fig................4 Fig................................................................................................2: Configuración del transformador de potencia.......... 2....................................14 Fig...........8 Fig..... 2.................................... 2..................... 3.............. 2.6: Circuito de un puente rectificador de 3 fases completamente controlado..........5: Ejemplo de generación de energía trifásica...................... ............12: Interconexión de los transformadores de control para el circuito de disparo... 2....... .... voltaje en función del ángulo de disparo para un rectificador con fuente de voltaje como parte de la carga.....8: Ejemplo de un rectificador trifásico completamente.........5 Fig...........19 Fig................ 2....................................21 Fig......................................................................9 Fig...................................... 2..................................13 Fig.....................2: Símbolo del IGBT: Gate o puerta (G).... ......................................... 4......1: Barras perforas de cobre utilizadas para la interconexión del banco de condensadores y los 3 pares de tiristores ...........................13: a) Fuente completamente cableada...................................... 3...............................3: Banco de condensadores conectados en paralelo con el par de barras de cobre......4: Empaque del SKKT91/04 y su respectivo símbolo .......10: a) Detalle de las borneras ya fabricadas b) Carcasa completa del chasis.................. 3......................................12: a) Chasis ensamblado y pintado nótese el panel frontal..39 Fig.............................................4: Diseño del panel frontal y un soporte necesario para fijar el teclado ........2: Módulo de tiristores puenteados con las barras de cobre.5: Panel listo y ensamblado......... 4.......................viii Fig.................. 4.6: Bobina del filtro LC 1...7: Diseño en 3D de las piezas necesarias para la medición de corriente ..37 Fig........... .................... 4.................................... 3......................35 Fig....................................40 Fig............ 4.............8: Tarjetas de Control................................. 4...43 Fig.. el transistor de potencia y el ventilador........................................................................... los tiristores y el banco de condensadores ..3: Detalle del transformador y parte del chasis ........................... la barra de cobre con sus respectivas bases y las conexiones térmicas al disipador.....11: IGBT SKM400GA124D y su símbolo....34 Fig............... b) Parte trasera del panel frontal................................37 Fig......................................... 3...........30 Fig............33 Fig............. 4................6: Sensor de corriente CSLA2CF............38 Fig.....10: Diagrama Circuital de la Tarjeta Visualizadora...................45 ...................8: Detalle de el sensor de corriente........ 3..........11: Esquema del encendido/apagado de seguridad de la fuente .............. 3.................. .........9: Diseño de la carcasa completa de la fuente y bornera .......................................14: Detalle de la interconexión de la tarjeta de control.....45 Fig...12: Detalle del disipador y sobre éste el módulo rectificador.36 Fig..41 Fig.......................................................7 Detalle del módulo metálico...........40 Fig.. 4....42 Fig................... 4.......29 Fig...................4mH @ 150Amp .......... 4.................................................... b) Contactor de enclavamiento para el encendido y apagado de la fuente..31 Fig............ 4.30 Fig.......................................... 3........ Visualizadora y Fuente Conmutada...........29 Fig. 3...... 4................................... entregadas..39 Fig.......................5: Circuito rectificador y filtro LC .......................... 3..38 Fig..................... 4.......................... 4...28 Fig... .....55 Fig................................59 Fig......... 5......................... 5............................ ......... 5...51 Fig....... b) Pulso de Disparo T2 vs RT.18: Detalle del diagrama de polos y cero del sistema....................... 5......... diagrama de fase........5: a) Simulación de las señales de referencia RT....54 Fig..64 Fig...58 Fig.................14: Forma de onda de la señal rectificada una vez conectado el filtro LC.3: a) Pulso de Disparo T1 vs RT...........61 Fig..... e) Pulso de Disparo T5 vs RT...................... Voltaje rectificado.......66 Fig.......19: Respuesta del rectificador ante varias consignas de voltaje (valores medidos a través de la tarjeta de control).....47 Fig......... 5...52 Fig................ 5.. ... ....................... ................1: Disparo de los tiristores 1 y 2 luego de colocar la resistencia de 100Ω............................... 5....... ... Voltaje rectificado........... 5................... 5..... diagrama de fase.............69 .........52 Fig...... ..15: Gráfica de voltaje rectificado vs ángulo de disparo (formato 8bits). b) Señales de referencia digitales y c) Pulsos de disparos.. 5............. 5.....................63 Fig.........2: Detalle del acondicionamiento de la señal de disparo......12: Barrido del pulso de disparo T1 vs....... 5......... ................ diagrama de magnitud y respuesta al escalón para el compensador preliminar.................... 5... TS y SR obtenidas en la tarjeta de control.............47 Fig... f) Pulso de Disparo T6 vs RT ..59 Fig....18: Detalle del diagrama de polos y cero del sistema......................... 5..7: Señales de disparo T1 y T2 con respecto a la fase R para un α=0°..................17: Proceso simulado para encontrar las constantes del controlador PID... TS y SR.......................... c) Pulso de Disparo T3 vs RT... para distintos valores del ángulo de disparo α.4: Circuito del rectificador trifásico simulado..... 5.......................56 Fig............ 5..................... b) Señales RT............................................................................ ................................................9: Código en LabVIEW para registrar las señales de referencia y disparo................................ diagrama de magnitud y respuesta al escalón para el compensador ya entonado.....................................65 Fig..........11: Barrido del pulso de disparo T1 vs..................54 Fig......13: Detalle de la zona de conmutación en la señal rectificada con respecto al tren de pulso de disparo T1.........................................50 Fig............................................8: De izquierda a derecha: Tarjeta de adquisición de datos y extensora utilizadas ....................... 5....................... d) Pulso de Disparo T4 vs RT........... 5................10: Datos logrados con la tarjeta de adquisición de datos 779068-01: a) Señales de referencia analógicas........ para distintos valores de α (código FPGA corregido)...6: Señal de referencia RT análoga y RT digital desfasada 180°......... 5........16: Circuito del filtro LC del rectificador.....49 Fig...................................ix Fig.................. 5.................................................. ..........................22: Ensayo final del rectificador controlado por el PID discreto (valores medidos a través de la tarjeta de control)............82 Fig. .............. con picos de potencia en el elemento de paso............................................................... 5...........................23: Detalle de la respuesta frente al escalón................. ...........29: Parte del código implementado... 5................36: Calibración del set en el voltaje de salida.................................................x Fig.38: Prueba final de la fuente........................................25: Esquema básico de la regulación propuesta...77 Fig.........................74 Fig.................................. ............81 Fig..................... Estado 5: recepción y visualización de los valores de la fuente.39: Detalle del pico de potencia en el elemento de paso.................................... 5..................................34: Detalle de un ensayo preliminar del regulador lineal (valores medidos a través de la tarjeta de control)......... 5.80 Fig............. del ensayo final en el rectificador (valores medidos a través de la tarjeta de control)............. 5. 5.........35: Calibración de la medición de la corriente de salida............ 5............ ... 5...........24: Referencia de la respuesta del rectificador...........71 Fig... ..............................................86 Fig.... 5........................79 Fig...83 Fig........... Estado 6: Recepción de constantes.....75 Fig.................78 Fig..........26: Trama de envío de las constantes del controlador PID a la PC......74 Fig.............................. 5... 5.....70 Fig.............................. ........... ...........................................27: Detalle de una parte de la interfaz gráfica modificada................... para la interfaz gráfica modificada.........21: Referencia de la oscilación y el transitorio antes de recuperarse la señal (valores medidos a través de la tarjeta de control).................. 5......... ante disminuciones bruscas del set de voltaje (valores medidos a través de la tarjeta de control)................ 5............................ 5.....................82 Fig..... 5................................................... 5.........86 Fig...............................28: Panel frontal de la interfaz gráfica mejorada.............................................................. luego de la entonación análoga preliminar (valores medidos a través de la tarjeta de control).69 Fig...........................33: Respuesta del regulador. 5......... 5........................................................ 5...........20: Detalle del sobrepico en la respuesta del controlador (valores medidos a través de la tarjeta de control)..88 ...........................72 Fig.............71 Fig....................... 5.....................................................87 Fig......32: Lazo dual de control para el transistor de potencia........................................... .31: Prueba preliminar de regulación (valores medidos a través de la tarjeta de control)..............30: Parte del código de la máquina de estados...........26: Formato de una de las tramas de envío de datos a la PC... ........................89 Fig....5 kW........... 5..................................... ...1: Control de potencia para proteger al elemento regulador.................. 7...................................................40: Prueba de la fuente en modo: fuente de corriente.... 5....98 ........42: Detalle de la regulación de línea para voltajes altos del rectificador........ 7.................... ...94 Fig...........................93 Fig............ ........xi Fig...........................................41: Ensayo preliminar de regulación de carga............... 5.44: Prueba de la fuente DC entregando 13............. 5.............91 Fig................97 Fig............2: Diferencia de voltaje dinámica............4 kW..........................92 Fig..43: Prueba de la fuente DC entregando 12....... 5... ....11 Tabla 5.1: Par de diodos en conducción según el ángulo θ............. ...2: Par de SCR´s en conducción según el ángulo de disparo α............2: Valores enteros calculados del controlador PID y su correspondiente α................. ........................1: Calibración de los instrumentos...60 Tabla 5..................................................................85 Tabla 9..................................... sí se sustituyeran los tiristores de la figura 2.......................10 Tabla 2.................. que reflejan la relación entre el ángulo de disparo (α) y el voltaje en el mismo.............................................62 Tabla 5........109 .............................3: Tabla para la calibración de la fuente (valores medidos).......................1: Valores medidos en el rectificador.........xii Tabla 2...................................6 por diodos................ C: Condensador para compensar la potencia reactiva de L.xiii Lista de Símbolos y Abreviaturas ω: Frecuencia de la red (en rad/s). Q: Factor de calidad de la bobina a la frecuencia de resonancia. Vrms: Root mean Square (raíz media cuadrática). I: Corriente por el conmutador. PNPN: Positivo negativo positivo negativo. SCR: Silicon controller rectifier (rectificador controlado de silicio). P. P0: Potencia disipada en la superficie de la pieza. FET: Field effect transistor (transistor de efecto de campo). IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor. BJT: Bipolar junction transistor (transistor bipolar). AC: Altern current (corriente Alterna). Hz : Frecuencia de la red en herzios. DC: Direct Current (corriente directa). V: Tensión soportada por el conmutador. PID: Red de compensación Proporcional Integro-Diferencial . Z(s): Función impedancia. L: Inductancia del inductor de calentamiento. W: Potencia de salida del inversor serie. s: Variable de la Transformada de Laplace. J0 : Densidad de corriente en la superficie de la pieza. Zc: Impedancia característica. 1.1. El estado venezolano en el afán de no quedarse atrás ante el desarrollo tecnológico global invierte grandes esfuerzos en instituciones dedicadas a la formación de profesionales técnicos y de investigación. Pero a un alto precio y sin transferencia de tecnología. capaces de investigar y desarrollar proyectos de mediana y gran envergadura. la sociedad venezolana se ha visto en la imperiosa necesidad de formar cada vez más profesionales en el área tecnológica. IDEA (Instituto de Estudios Avanzados) y la FII (Fundación Instituto de Ingeniería) las cuáles brindan al estado venezolano servicios tecnológicos. instituciones como La Fundación Instituto de Ingeniería (FII) apuesta directamente a la fabricación de productos nacionales donde el conocimiento. el cuál es. Regularmente en las diversas instituciones antes mencionadas existe la necesidad de fuentes DC regulables para laboratorio.1 1. Lo que se estila en éste tipo de casos es la utilización de un dispositivo lineal para el control del voltaje de salida. Introducción 1. universidades. Planteamiento del problema Gracias al desarrollo tecnológico tan acelerado que ha venido experimentando el mundo en éstas ultimas décadas. la experiencia y la investigación reposen en nuestros profesionales. el de las energías alternativas. politécnicos. que manejen altos niveles de potencia con buenos márgenes de regulación y bajo ruido. el dominio de la tecnología. donde se puede destacar como una de las primordiales características la transferencia de tecnología. Justificación Claro esta que en Venezuela podemos adquirir a través de importaciones fuentes DC de laboratorio de altísima potencia y bajo ruido.2. En estos momentos la FII esta desarrollando un proyecto de índole interno cuyo objetivo macro es incursionar de manera profunda en un campo que tiene mucho auge desde hace algún tiempo. En este sentido y enmarcado en las políticas de estado. Para así más . Además de instituciones como el IVIC (Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas). pero el inconveniente surge cuando aún a bajos niveles potencias la disipación en el elemento de paso se hace prohibitiva. etc. por medio de escuelas técnicas. . una fuente de poder DC regulable para sustituir esos grandes bancos de baterías por un solo dispositivo capaz de suministrar esos niveles de potencia y que además es útil en muchas otras aplicaciones. ni todas las mejoras posibles que se le puedan efectuar al sistema para su posible comercialización. en este caso la red trifásica convencional. El hecho de que ésta fuente tenga muchas otras aplicaciones. específicamente el departamento de Ingeniería Eléctrica y Sistemas en un lapso de 24 semanas. su costo de elaboración sea relativamente económico en comparación con un dispositivo similar importado y que además es altamente eficiente y útil. hace de ella un producto altamente comercializable. Para efectos de pruebas experimentales en el desarrollo de un prototipo de un inversor de este estilo. éste proyecto estará sujeto a cambios de forma y de fondo. 1. Aquí es donde entra en relación directa la elaboración de un convertidor AC-DC o si se quiere llamarlo.3. Limitaciones Debido a su carácter de prototipo. como bien sabemos inversores de este tipo necesitarían de un gran banco de baterías para su funcionamiento. no es práctico ni rentable disponer de un gran banco de baterías. Delimitación El presente proyecto será ejecutado en la Fundación Instituto de Ingeniería. la elaboración de un controlador PID digital para un rectificador controlado no contempla dicho software. que no están contemplados en un principio sino que se irán presentado a través del desarrollo del mismo. al final de dicho tiempo la fuente estará totalmente operativa con las mejoras y cambios que hayan sido necesarios debidamente implementados.4.2 adelante contar con la experiencia y las herramientas necesarias para brindar un servicio de calidad a una gran diversidad de clientes así como también apoyar y transferir conocimientos a comunidades de bajos recursos y difícil acceso por medio de planes de acción nacional. 1. el proceso de carga y descarga y el costo del mismo la mejor solución es utilizar los recursos disponibles. Una de las fases del proyecto es el diseño. Esta fuente no cuenta con un software ni una interfaz gráfica que permita el análisis de sus parámetros en detalle. implementación y desarrollo de inversores de media potencia (hasta 35 kVA). sobre todo por el mantenimiento. como elemento primario de regulación para una fuente DC de laboratorio de 15 kW. banco de tiristores. • Elaborar el manual de usuario para asegurar el buen funcionamiento de la fuente. 2. Objetivo General Diseñar. Objetivos Específicos • Revisar la bibliografía referente de todos los tópicos referentes a rectificación trifásica. • Diseñar e implementar el control PID discreto. Hipótesis Es posible crear una fuente DC de laboratorio de 15kW utilizando como elemento de paso regulador un transistor de potencia. • Culminar el chasis: diseño y fabricación de piezas diversas para el correcto funcionamiento de la fuente.3 2. transistores de potencia en especial IGBT. primeros ensayos de rectificación y de control manual. • Interconectar y cablear los circuitos impresos y dispositivos que conforman todo el sistema: banco de condensadores.2. . • Ejecutar las pruebas finales de regulación con el elemento de paso integrado para validar su funcionamiento. operado en la zona lineal y siendo regido su entorno por controladores PID´s análogos y discretos. tiristores de potencia y todo el material suministrado por el Profesor Julio Walter. 2. • Realizar de pruebas preliminares de los circuitos impresos: comunicación entre ellos. elaborar e implementar un Rectificador Trifásico controlado mediante un control discreto (PID digital). Cuerpo del Trabajo 2. • Ejecutar las pruebas preliminares de autorregulación regidas por el controlador PID discreto.1.3. bobina de choque y transformador de potencia. correcto funcionamiento. 4 2. Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor. . el tiristor comienza a conducir. La figura 2. cátodo y puerta. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión. 2. Fundamentos Teóricos Debido al carácter experimental de éste proyecto los fundamentos teóricos a abarcar son muchos. Una vez arrancado.4.1 muestra el esquema del SCR. Fig. podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo. Trabajando en corriente alterna el SCR se desactiva en cada alternancia o semiciclo. permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia y de control. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo.1: Esquema básico del SCR y su respectivo símbolo Un SCR posee tres conexiones: ánodo. Podríamos decir que un SCR funciona como un interruptor electrónico. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor. éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado.1 El SCR El rectificador controlado de silicio (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier) es un dispositivo de estado sólido formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. así que solamente se describirán a continuación los más importantes.4. 2. 2.5 2. no viables.2 muestra el esquema del transistor IGBT. combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo.2 El Transistor IGBT El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT. colector (C) y emisor (E) y su circuito equivalente Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar.4. autobús. tren. 2. mientras que las características de conducción son como las del BJT. metro. ascensor.3: Sección de un IGBT . En la figura 2.3 se puede ver la sección de un IGBT. del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. sin que seamos particularmente concientes de eso: automóvil. barco. La figura 2. electrodomésticos. hasta hace relativamente poco tiempo. etc. Los transistores IGBT han permitido desarrollos. Fig. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET. en particular en los variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes.2: Símbolo del IGBT: Gate o puerta (G). avión. Fig. televisión. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutación de la base pueden ser igualmente altas.000 voltios. del orden de miles de amperios con voltajes de bloqueo de hasta 6. 2. Fig. Se puede concebir el IGBT como un Darlington hibrido. los portadores de carga se desvían y agrupan a un lado del material conductor o semiconductor. y estando este mismo material en el seno de un campo magnético. Es usado en aplicaciones de altas y medias energías como fuente conmutada. que se puede medir mediante un voltímetro. y ligado a él aparece la tensión Hall. apareciendo así un campo eléctrico perpendicular al campo magnético y al propio campo eléctrico generado por la batería. se comprueba que aparece una fuerza magnética en los portadores de carga que los reagrupa dentro del material. tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción.6 El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones.4: Efecto Hall clásico. En aplicaciones de electrónica de potencia es el intermedio entre los tiristores y los mosfet´s. 2.3 Efecto Hall clásico Cuando por un material conductor o semiconductor. Este campo eléctrico es el denominado campo Hall. pueden manejar altas corrientes. circula una corriente eléctrica. . Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.4. control de la tracción en motores y cocinas de inducción. esto es. Grandes módulos de IGBT que consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo. 7 En el caso de la figura 2.4, tenemos una barra de un material desconocido y queremos saber cuales son sus portadores de carga. Para ello, mediante una batería hacemos circular por la barra una corriente eléctrica. Una vez hecho esto, introducimos la barra en el seno de un campo magnético uniforme y perpendicular a la tableta. Aparecerá entonces una fuerza magnética sobre los portadores de carga, que tenderá a agruparlos a un lado de la barra, apareciendo de este modo una tensión Hall y un campo eléctrico Hall entre ambos lados de la barra. Dependiendo de si la lectura del voltímetro es positiva o negativa, y conociendo el sentido del campo magnético y del campo eléctrico originado por la batería, se puede deducir si los portadores de carga de la barra de material desconocido son las cargas positivas o las negativas. 2.4.4 Voltajes Trifásicos La generación y transmisión de potencias eléctricas son más eficientes en sistemas polifásicos que emplean combinaciones de dos, tres o más voltajes sinusoidales. Además los circuitos y las maquinas polifásicas poseen ciertas ventajas únicas. Por ejemplo, la potencia transmitida en un circuito trifásico es constante o independiente del tiempo en vez de pulsante, como en un circuito monofásico. Así mismo, los motores trifásicos arrancan y funcionan mucho mejor que los monofásicos. La forma más común de un sistema polifásico utiliza tres voltajes balanceados de igual magnitud y desfasados en 120 grados. Un generador de AC elemental consta de un magneto giratorio y un devanado fijo. Las vueltas del devanado se distribuyen por la periferia de la máquina. El voltaje generado en cada espira del devanado esta ligeramente desfasado del generado por el más próximo, debido a que la densidad máxima de flujo magnético la corta un instante antes o después. Si el primer devanado se continuara alrededor de la maquina, el voltaje generado en la última espira estaría desfasado 180 grados de la primera y se cancelarían sin ningún efecto útil. Por esta razón, un devanado se distribuye comúnmente en no más de un tercio de la periferia; los otros dos tercios se pueden ocupar con dos devanados más, usados para generar otros dos voltajes similares. Un circuito trifásico genera distribuye y utiliza energía en forma de tres voltajes, iguales en magnitud y simétricos en fase. Las tres partes similares de un sistema trifásico se llaman fases. Como el voltaje en la fase A alcanza su máximo primero, seguido por la fase B y después por la C se dice que la rotación de fases es ABC. Esta es una convención 8 arbitraria; en cualquier generador, la rotación de fases puede invertirse, si se invierte el sentido de rotación. La figura 2.5 muestra un ejemplo de generación trifásica. Fig. 2.5: Ejemplo de generación de energía trifásica. 2.4.5 Rectificador Trifásico Completamente Controlado El funcionamiento de un puente rectificador de 3 fases completamente controlado se describe en esta parte. Un puente rectificador trifásico totalmente controlado puede ser construido utilizando seis tiristores o SCR’s como se muestra a continuación en la figura 2.6. Fig. 2.6: Circuito de un puente rectificador de 3 fases completamente controlado. El circuito puente rectificador de tres fases consta de tres ramas, cada una de ellas conectada a uno de los tres voltajes de fase. Alternativamente, se puede observar que el puente tiene dos mitades de circuito, el medio positivo consistente en los SCR´s S1, S3 y S5 y el medio negativo consistente de los SCR´s S2, S 4 y S 6. En cualquier momento, un SCR de cada mitad esta encendido cuando hay corriente eléctrica siempre y cuando 9 exista el pulso de disparo adecuado para el dispositivo. Si la secuencia de fases de la fuente es RYB, los SCR´S se activan en la secuencia S1, S2, S3, S4, S5, S6, S1 y así sucesivamente. Los tres voltajes de fase varían según se indica La figura 2.7. Fig. 2.7: Voltajes trifásicos. Los tres voltajes de fase se definen como se muestra a continuación: VR (θ ) = E * Sin(θ ) (2.1) VY (θ ) = E * Sin(θ −120°) (2.2) VB (θ ) = E * Sin(θ + 120°) (2.3) Se puede observar que la tensión de fase R es la más alta de los tres voltajes de fase cuando θ esté en el rango de 30º a 150º. También puede verse que la tensión de fase Y es el más alto de los tres voltajes de fase cuando θ está en el rango de 150° a 270° y que la tensión de la fase B es la más alta de los tres voltajes de fase cuando θ está en el rango de 270° a 390° o 30º en el siguiente ciclo. También se observa que la primera tensión de fase es la más baja de los tres voltajes de fase cuando θ esté en el rango de 210° a 330°. Igualmente la tensión fase Y es la más baja de los tres voltajes de fase cuando θ está en el rango de 330° a 450° o 90º en el siguiente ciclo, y que la fase B es la más baja de voltaje cuando θ está en el rango de 90º hasta 210º. Si se utilizan diodos, diodo el D1, en lugar del SCR1 conduciría a partir de 30º a 150°, el diodo D3 conduciría de 150° a 270° y el diodo D5 de 270° a 390° o 30º en el siguiente semiciclo. De la misma manera, el diodo D4 conducirá a partir de 210° a 330°, el diodo D6 de 330° a 450° o 90 º en el siguiente ciclo, y el diodo D2 conducirá a partir de 90º hasta De hecho. La polarización a través de D1 viene a ser cero cuando θ=30º y el diodo D1 comienza a polarizarse en directa sólo después de θ=30º. sólo uno de los siguientes pares se lleva a cabo en determinado momento.1: Par de diodos en conducción según el ángulo θ. Periodo. ya que antes de θ=30º el diodo está polarizado en inverso. rango de θ Par de diodos en conducción 30º a 90o D1 y D6 90o a 150o D1 y D2 150o a 210o D2 y D3 210o a 270o D3 y D4 270o a 330o D4 y D5 330o a 360o y 0o a 30o D5 y D6 Tabla 2. S1 se activa cuando θ=30º. Por ejemplo. se puede empezar la conducción sólo después de θ=30º. como muestra la figura 2. existen cambios de períodos en que el flujo de corriente de un diodo se transfiere a otro. Esto significa que si se quiere una sincronización de la señal de disparo que se necesita para activar S1. En cualquier instante del barrido del ángulo θ. El bus positivo de la tensión de salida del puente está conectado a la parte alta del conjunto de las tres fases. La tabla 2.1 muestra el par de diodos en conducción. la señal de voltaje VR (θ ) = E * Sin(θ ) . sí se sustituyeran los tiristores de la figura 2. se ve que D1 comienza a conducir sólo después que θ=30º.10 210 º. Cuando el SCR se dispara a 0º del ángulo de disparo α.6 su conducción puede ser retrasada por la elección del ángulo de disparo deseado. Cuando VR (θ ) = E * Sin(θ ) .6 por diodos. la salida del puente rectificador sería la misma que la del circuito con diodos. Cuando el ángulo de disparo de los SCR´s es cero grado. y la parte negativa del bus de la tensión de salida a la parte baja del conjunto. el diodo D1 está inversamente polarizado antes de θ=30º y está directamente polarizado para θ>30 º. Si se utilizan SCR´s. .9 el voltaje DC de salida del mismo.11 debería estar desfasada por 30º y si el ángulo de disparo es α.8: Ejemplo de un rectificador trifásico completamente.2: Par de SCR´s en conducción según el ángulo de disparo α. Dado que la conducción es continua. Fig. La figura 2. detalle de la forma de onda del voltaje de salida según el ángulo de disparo α y promedio del voltaje (DC). S1 se activa cuando θ= α+30º. la tabla siguiente presenta el par SCR en conducción en cualquier instante. 2.8 muestra un ejemplo de rectificador trifásico completamente controlado y la 2. Período. rango de θ a α + 90o S 1 yS 6 α + 90o a α + 150o S 1 yS 2 α + 150o a α + 210o S 2 yS 3 α + 210o a α + 270o S 3 yS 4 α + 270o a α + 330o S 4 yS 5 α + 330o a α + 360o y α + 0o a α + 30o S 5 yS 6 α + 30 o Par de SCR´s en conducción Tabla 2. 5. Se ha visto que el grado cero del ángulo de disparo se produce 30º grados después del cero de cruce de la respectiva fase de tensión.10.9: DC de salida. 2. una técnica de uso común es establecer una sincronización de la señal para cada SCR. como se muestra en la figura 2.4) .1 Sincronización de las Señales Para variar la tensión de salida.4. El voltaje de línea también puede obtenerse matemáticamente como: V RB (θ )= V R (θ ) − V B (θ ) V RB (θ )= E * Sin(θ ) − E * Sin(θ + 120°) V RB (θ )= E * Sin(θ ) − E 3*E * Sin(θ ) − * Cos (θ ) 2 2 V RB (θ )= 3 * E * Sin(θ − 30°) (2. es necesario variar el ángulo de disparo y para realizar esto último. Si la sincronización de la señal va a ser una señal senoidal. el voltaje de la línea y las tensiones de fase tienen 30º desfase entre ellos.12 Fig. existe un retraso de 30 º con las respectivas fases. Cuando las 3 fases de la fuente de suministro están conectadas en estrella y el rectificador está conectado. 2. voltaje en función del ángulo de disparo para un rectificador con fuente de voltaje como parte de la carga. .12. Este retardo en el voltaje de línea de la fase RB es de 30o y tiene una amplitud que es 1. con los devanados primarios conectados en delta y los secundarios en estrella. como se muestra en la figura 2. Para obtener la sincronización de las señales.10: Defasaje del voltaje de línea RB con respecto a los 3 voltajes de fase. se pueden utilizar tres transformadores de control.13 Fig. 2.11: Representación fasorial de los voltajes de fase y los voltajes de línea.732 veces la amplitud de la tensión fase. La sincronización de la señal para S1 se puede obtener sobre la base del voltaje de línea VRB y La sincronización de las señales para los otros SCR se puede obtener de manera similar. 2. Fig. así mismo se puede observar el defasaje de 180° entre los pares de señales quedando como resultado las seis señales de disparo separadas entre si por 60° y describiendo la secuencia expuesta en la parte 2. S6.12: Interconexión de los transformadores de control para el circuito de disparo.14 Fig. a su vez las referencias de éstas señales de disparo están desfasadas por 120°. S2.14 se pueden ver las 6 señales de disparo para distintos ángulos de disparo. 2. en las figuras 2. 2. VS25 y VS14 donde las señales en cada par están desfasadas 180°. S3.13 y 2. VS2 se utiliza como señal para la sincronización del S2 y así sucesivamente.13: Señales de disparo con sus respectivas referencias para α=0 . S5. el voltaje VS1 se utiliza como la señal de sincronización de tensión. cada una dibujada con el color correspondiente a su referencia.4. Fig. S4.2 de encendido de los tiristores S1. Se pueden ver las señales de disparo como 3 pares de señales VS63. Para S1. 4. a diferencia de los dos anteriores. que son con corriente continua. y que a su vez. La señal puede representar ese valor en tensión eléctrica. ™ Un controlador. 2. Es uno de los métodos de control más frecuentes y precisos dentro de la regulación automática. El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar. que determine el estado del sistema por ejemplo un termómetro.14: Señales de disparo con sus respectivas referencias para α=60. la cual representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema. habrá que establecer algún tipo de interfaz. que modifique al sistema de manera controlada (resistencia eléctrica.15 Fig.6 El controlador PID Un controlador PID (Proporcional Integral Derivativo) es un sistema de control que mediante un actuador. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de referencia). ™ Un actuador. intensidad de corriente eléctrica o frecuencia. válvula o bomba). Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema se necesita. . la señal pueda ser entendida por un humano. la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la señal que proporciona el sensor. motor. al menos: ™ Un sensor. 2. Para hacer posible esta compatibilidad. En este último caso la señal es de corriente alterna. que genere la señal que gobierna al actuador. El sensor proporciona una señal analógica al controlador. es capaz de mantener una variable o proceso en un punto deseado dentro del rango de medición del sensor que la mide. El peso de la influencia que cada una de estas partes tiene en la suma final. existe también un valor límite en la constante proporcional a partir del cual. siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. La constante proporcional determinará el error permanente. en algunos casos. La señal resultante de la suma de estas tres señales. por tanto la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación con respecto al tiempo es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa. Luego es multiplicado por una constante I. siendo éste menor cuanto mayor sea el valor de la constante proporcional. si no que debe ser transformada para ser compatible con el actuador que usemos. en la mayoría de los casos.16 El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de consigna. Sin embargo. respectivamente. se llama variable manipulada y no se aplica directamente sobre el actuador. Este fenómeno se llama sobre oscilación y. Este efecto tiene como consecuencia la aparición de un error permanente. La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la constante proporcional. La parte proporcional no considera el tiempo. . estos valores solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control. obteniendo así la señal de error. que hace que la parte proporcional nunca llegue a solucionar por completo el error del sistema. el tiempo integral y el tiempo derivativo. La señal de error es utilizada por cada una de las 3 componentes de un controlador PID propiamente dicho para generar las 3 señales que sumadas componen la señal que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador. no debe sobrepasar el 30%. el sistema alcanza valores superiores a los deseados. viene dado por la constante proporcional. I representa la constante de integración. Se pueden establecer valores suficientemente altos en la constante proporcional como para que hagan que el error permanente sea casi nulo pero. provocado por el modo proporcional. Esta componente PID toma un papel importante cuando la señal de error es grande. El error es integrado. pero su acción se ve mermada con la disminución de dicha señal. El modo de control Integral tiene como propósito disminuir o eliminar el error en estado estacionario. aunque es conveniente que la parte proporcional ni siquiera produzca sobre oscilación. por razones de seguridad. Las tres componentes de un controlador PID son: parte proporcional. acción integral y acción derivativa. que determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor deseado y el valor medido. lo cual tiene la función de promediarlo o sumarlo por un periodo de tiempo determinado. La ganancia total del lazo de control debe ser menor a 1. que existiría siempre si la constante Ki fuera nula. D constante de derivación: hace presente la respuesta de la acción proporcional (duplicándola). La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la velocidad misma que se produce. sin esperar (a que el error se duplique). o "La consigna". La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error. El valor indicado por la constante de derivación es el lapso de tiempo durante el cual se manifestará la acción proporcional correspondiente a 2 veces el error y después desaparecerá. Significado de las constantes P constante de proporcionalidad: se puede ajustar como el valor de la ganancia del controlador o el porcentaje de banda proporcional. Tanto la acción Integral como la acción Derivativa. afectan a la ganancia dinámica del proceso. y así inducir una atenuación en la salida del controlador para conducir el proceso a estabilidad del mismo. (si el error es constante. El error es la desviación existente entre el punto de medida y el valor de consigna. . solamente actúan los modos proporcional e integral). Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante D y luego se suma a las señales anteriores (P+I). de esta manera evita que el error se incremente. La acción integral sirve para reducir el error estacionario. I constante de integración: indica la velocidad con la que se repite la acción proporcional. El modo integral presenta un desfasamiento en la respuesta de 90º que sumados a los 180º de la retroalimentación (negativa) acercan al proceso a tener un retraso de 270º. luego entonces solo será necesario que el tiempo muerto contribuya con 90º de retardo para provocar la oscilación del proceso. la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el control P + I con el propósito de obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario. Gobernar la respuesta de control a los cambios en el sistema ya que una mayor derivativa corresponde a un cambio más rápido y el controlador puede responder acordemente.17 Posteriormente. 18 Por tener una exactitud mayor a los controladores proporcional, proporcional derivativo y proporcional integral el controlador PID se utiliza en aplicaciones más cruciales tales como control de presión, flujo, química, fuerza, velocidad y otras variables además de ser utilizado en reguladores de velocidad de automóviles. 2.4.7 Reguladores de Tensión Todos los circuitos electrónicos requieren de una o más fuentes de alimentación estables de corriente continua para su funcionamiento, las fuentes DC convencionales construidas con un transformador, un rectificador y un filtro (fuentes de alimentación no reguladas) no proporcionan una calidad suficiente ya que sus tensiones de salida varían de acuerdo a la cantidad de corriente que circula por la carga y con la tensión de la línea, además presentan una cantidad significativa de rizado a la frecuencia de la red. Por ello, no son generalmente adecuadas para la mayoría de las aplicaciones. La función de un regulador de tensión es proporcionar una salida estable y bien especificada, para alimentar a otros circuitos a partir de una fuente de alimentación de entrada de poca calidad; después del amplificador operacional el regulador lineal es el circuito integrado más extensamente utilizado. Se pueden dividir a los reguladores de tensión en dos grandes grupos, los reguladores conmutados y los lineales. 2.4.7.1 Reguladores Conmutados Utilizan un transistor de potencia como un conmutador de alta frecuencia, de tal manera de que la energía se transfiera de la entrada a la carga en forma de paquetes discretos. Los pulsos de intensidad se transforman luego en corriente continua a través de un filtro inductivo y capacitivo. Puesto que, cuando el transistor opera como conmutador consume menos potencia que cuando opera en su zona lineal, estos reguladores son más eficientes que los reguladores lineales; además de ser más pequeños y ligeros. Estos reguladores pueden diseñarse para que operen directamente con la tensión de la red rectificada y filtrada sin necesidad del uso transformadores voluminosos; el precio que se paga por esto es mayor complejidad del circuito y mayor ruido de rizado. Los reguladores conmutados se utilizan mayormente en aplicaciones digitales en donde es más importante una alta eficiencia y un peso bajo que un poco de ruido de rizado a la salida. 19 2.4.7.2 Reguladores Lineales Controlan la tensión de salida ajustando continuamente la caída de tensión en un transistor de potencia conectado en serie entre la entrada no regulada y la carga. Debido a que el transistor conduce corriente continuamente, éste opera en su zona activa o lineal. Aunque el regulador lineal es más sencillo de utilizar que los reguladores conmutados tienden a ser muy ineficientes debido a la potencia consumida por le elemento de paso. La tendencia actual en el diseño de fuentes de alimentación de varias salidas en utilizar primero reguladores conmutados para aprovechar sus virtudes y luego usar reguladores en serie o lineales para obtener tensiones de salidas más limpias y mejor reguladas. Fig. 2.15: Diagrama de bloques de un regulador de tensión lineal 2.4.7.3 Regulador de Tensión en Serie En la figura 2.16 se muestran 2 esquemas sencillos de reguladores de tensión en serie, utilizando un transistor bipolar o un amplificador operacional como elemento de control y un diodo zener como tensión de referencia y control del transistor u operacional. El funcionamiento del circuito se basa en que si Vo disminuye, la tensión VBE del transistor aumenta permitiendo así mayor paso de corriente y una restauración en el voltaje de salida. Ahora para el caso contrario donde el voltaje a la salida Vo aumenta, el voltaje VBE del transistor disminuye, esto ocasiona que la corriente de salida disminuya intentando así disminuir el voltaje de salida hasta restaurarlo al valor deseado. 20 Fig. 2.16: a) Regulador de tensión en serie simple. b) Regulador de tensión en serie basado en un AO Ahora una versión mejorada de éste regulador de tensión lineal se implementa utilizando un amplificador operacional, un par Darlington (Q1 y Q2) y una referencia de tensión. Esta configuración con par darlington brinda una ganancia de corriente alta, generalmente de 1000 o más. En el circuito 2.16.b el AO actúa como amplificador de error entre el voltaje de referencia VREF y el voltaje obtenido a través de la red de realimentación formada por R1 y R2. 2.4.8 Comunicación y Transmisión de Datos En cualquier proceso o sistema, bien sea mecánico, eléctrico, químico, etc. Es necesaria la comunicación entre subsistemas o subprocesos y la supervisión del mismo por parte de un operario, estos da pie a desarrollar algoritmos o esquemas de comunicación que faciliten dichas tareas. A continuación se describirán muy brevemente el bus de comunicación I2C y el protocolo de comunicación serial, ambos ampliamente utilizados en este proyecto. 2.4.8.1 Bus I2C I2C es un bus de comunicaciones serie. Su nombre viene de Inter-Integrated Circuit (Circuitos Inter-Integrados). La versión 1.0 data del año 1992 y la versión 2.1 del año 2000, su diseñador es la empresa Philips. La velocidad es de 100Kbits por segundo en el modo estándar, aunque también permite velocidades de 3.4 Mbit/s. Es un bus muy usado en la industria, principalmente para comunicar microcontroladores y sus periféricos También es necesaria una tercera línea. Las transacciones en el bus I2C tienen este formato: | Inicio | A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 | L/E | REC | . Fig. esta tercera línea no suele ser necesaria. 2. Esta característica hace que al bus I2C se le denomine bus multimaestro. por lo que necesitan resistencias de pull-up. Como suelen comunicarse circuitos en una misma placa que comparten una misma masa.17: Estructura de un BUS I2C La principal característica de I2C es que utiliza dos líneas para transmitir la información: una para los datos y por otra la señal de reloj. pero esta sólo es la referencia (masa). Las líneas se llaman: ™ SDA (Sistema de data): línea por la cuál viajan los datos entre dispositivos.. pero no es necesario que el maestro sea siempre el mismo dispositivo.. Las dos primeras líneas son drenador abierto. Los dispositivos conectados al bus I2C tienen una dirección única para cada uno.21 en sistemas empotrados (Embedded Systems) y generalizando más para comunicar circuitos integrados entre si que normalmente residen en un mismo circuito impreso... ™ SCL (Sistema de reloj): línea por la cuál transita la señal de reloj del sistema. | parada | espera | . esta característica se la pueden ir pasando los dispositivos que tengan esa capacidad. ™ GND (Tierra): masa. DATOS . También pueden ser maestros o esclavos. El dispositivo maestro inicia la transferencia de datos y además genera la señal de reloj. • Cada byte leído/escrito por el maestro debe ser obligatoriamente reconocido por un bit de REC por el dispositivo maestro/esclavo. • El maestro comienza la comunicación enviando un patrón llamado "condición de inicio". • El maestro envía la dirección del registro interno del dispositivo que se desea leer o escribir. y el octavo bit (A0) de menor peso se corresponde con la operación deseada (L/E). poniéndolos a la espera de una transacción. • En estado bus libre. Esto alerta a los dispositivos esclavos. . Seguidamente comienza el intercambio de información entre los dispositivos. siendo el esclavo quien fija esta cantidad de acuerdo a sus características. • El esclavo responde enviando un bit de REC que le indica al dispositivo maestro que el esclavo reconoce la solicitud y está en condiciones de comunicarse. lectura=1 (recibir del esclavo) y escritura=0 (enviar al esclavo). • Se repiten los 2 pasos anteriores hasta finalizar la comunicación entre maestro y esclavo.22 • El bus esta libre cuando SDA y SCL están en estado lógico alto. si ambas coinciden. cualquier dispositivo puede ocupar el bus I2C como maestro. • La dirección enviada es comparada por cada esclavo del bus con su propia dirección. • El maestro se dirige al dispositivo con el que quiere hablar. • El esclavo responde con otro bit de REC • Ahora el maestro puede empezar a leer o escribir bytes de datos. Todos los bytes de datos deben constar de 8 bits. el número máximo de bytes que pueden ser enviados en una transmisión no está restringido. el esclavo se considera direccionado como esclavotransmisor o esclavo-receptor dependiendo del bit L/E. enviando un byte que contiene los siete bits (A7-A1) que componen la dirección del dispositivo esclavo con el que se quiere comunicar. Esto hace que el maestro entre en un estado de espera. Típicamente. • Cuando la comunicación finaliza. la comunicación serial se utiliza para transmitir datos en formato ASCII. El puerto serial envía y recibe bytes de información un bit a la vez. puede forzar la línea SCL a nivel bajo. utilizando comunicación serial el largo del cable puede llegar a los 1200 metros.4. Por ejemplo. La comunicación serial es también un protocolo común utilizado por varios dispositivos para instrumentación. que permite la transmisión de un byte completo por vez. durante el cual. es . o USB) para comunicación entre dispositivos y que se incluyó hasta hace poco de manera estándar en prácticamente cualquier computadora.2 Protocolo Serial La comunicación serial es un protocolo muy común (no hay que confundirlo con el Bus Serial de Comunicación. es obligatorio para el bus estar en espera durante unos microsegundos. la comunicación serial puede ser utilizada para adquisición de datos si se usa en conjunto con un dispositivo remoto de muestreo. la especificación IEEE 488 para la comunicación en paralelo determina que el largo del cable para el equipo no puede ser mayor a 20 metros. El concepto de comunicación serial es sencillo. • Después de la "condición de parada". Debido a que la transmisión es asincrónica.8. siendo progresivamente abandonado a favor de la interfaz USB.23 • Aun cuando el maestro siempre controla el estado de la línea del reloj. existen varios dispositivos compatibles con GPIB (General purpose instrumental bus) que incluyen un puerto RS-232. no transmite información esperando a que el esclavo esté listo para continuar la transferencia en el punto donde había sido detenida. Aun y cuando esto es más lento que la comunicación en paralelo. La mayoría de las computadoras que poseen este sistema de comunicación incluyen dos puertos seriales RS-232. (3) Recibir. un esclavo de baja velocidad o que deba detener la transferencia de datos mientras efectúa otra función. (2) Transmitir. este método de comunicación es más sencillo y puede alcanzar mayores distancias. por el otro lado. Además. con no más de 2 metros entre cualesquier dos dispositivos. 2. Para realizar la comunicación se utilizan 3 líneas de transmisión: (1) Tierra (o referencia). el maestro transmite una "condición de parada" para dejar libre el bus. los bits de parada. es posible que los dos dispositivos no estén sincronizados. ™ Bits de datos: Se refiere a la cantidad de bits en la transmisión. El número de bits que se envía depende en el tipo de información que se transfiere. es necesario que las características sean iguales. Si el tipo de datos que se está transfiriendo es texto simple (ASCII estándar). Por ejemplo. Por lo tanto. si el protocolo hace una llamada a 4800 ciclos de reloj. para ASCII extendido es de 0 a 255. los bits de datos. 1. y la paridad. pero se reduciría la distancia máxima posible entre los dispositivos. como es el caso de dispositivos GPIB. Los valores típicos son 1. el ASCII estándar tiene un rango de 0 a 127. los bits de parada no sólo indican el fin de . y 33600.5 o 2 bits. Por ejemplo. y se mide en baudios (bauds). 7 y 8 bits. Existen otras líneas disponibles para realizar handshaking. Las características más importantes de la comunicación serial son la velocidad de transmisión. Las altas velocidades se utilizan cuando los dispositivos se encuentran uno junto al otro. 300 baudios representa 300 bits por segundo. es decir. y paridad. Para que dos puertos se puedan comunicar. Es posible tener velocidades más altas. ™ Bits de parada: Usado para indicar el fin de la comunicación de un solo paquete. el término paquete se usar para referirse a todos los casos. Cuando se hace referencia a los ciclos de reloj se está hablando de la velocidad de transmisión. Un paquete se refiere a una transferencia de byte. lo que significa que el puerto serial está muestreando las líneas de transmisión a 4800 Hz. o intercambio de pulsos de sincronización. el tamaño de ese paquete no necesariamente será de 8 bits. incluyendo los bits de inicio/parada. Cuando la computadora envía un paquete de información. Debido a la manera como se transfiere la información a través de las líneas de comunicación y que cada dispositivo tiene su propio reloj. entonces es suficiente con utilizar 7 bits por paquete para la comunicación. entonces el reloj está corriendo a 4800 Hz. utiliza 7 bits.24 posible enviar datos por una línea mientras se reciben datos por otra. Las velocidades de transmisión más comunes para las líneas telefónicas son de 14400. 28800. Las cantidades más comunes de bits por paquete son 5. Debido a que el número actual de bits depende en el protocolo que se seleccione. ™ Velocidad de transmisión (baud rate): Indica el número de bits por segundo que se transfieren. Por ejemplo. bits de datos. lo que utiliza 8 bits. pero no son requeridas. simplemente fija el bit de paridad en estado lógico alto para la marcada. el bit de paridad sería 0 para mantener el número de bits en estado alto lógico como par. el puerto serial fijará el bit de paridad (el último bit después de los bits de datos) a un valor para asegurarse que la transmisión tenga un número par o impar de bits en estado alto lógico. sin embargo la transmisión será más lenta. y en estado lógico bajo para la espaciada. o si los relojes de los dispositivos no están sincronizados. Existen cuatro tipos de paridad: par. La opción de no usar paridad alguna también está disponible. Esto permite al dispositivo receptor conocer de antemano el estado de un bit. entonces el bit de paridad sería 1. para tener 3 bits en estado alto lógico. Para paridad par e impar. ™ Paridad: Es una forma sencilla de verificar si hay errores en la transmisión serial. Mientras más bits de parada se usen. mayor será la tolerancia a la sincronía de los relojes. Si la paridad seleccionada fuera impar. lo que serviría para determinar si hay ruido que esté afectando de manera negativa la transmisión de los datos. si la información a transmitir es 011 y la paridad es par. . marcada y espaciada.25 la transmisión sino además dan un margen de tolerancia para esa diferencia de los relojes. impar. Por ejemplo. La paridad marcada y espaciada en realidad no verifican el estado de los bits de datos. Presentación Este proyecto tiene como objetivo principal diseñar. 3.26 3.2. elaborar e implementar un rectificador trifásico controlado mediante un control discreto (PID digital). Esquema de la Fuente DC A continuación se describirá a detalle todo el sistema preliminar adjudicado por el profesor Julio Walter. pero este rectificador estará embebido en una fuente DC de laboratorio. No es objetivo de dicho proyecto cuál esta describir a fondo la metodología de diseño. ni los argumentos por los cuales se adoptaron ciertas topologías en la implementación de la antes mencionada fuente DC. Fig. la preliminarmente diseñada y construida. porque simplemente es el sistema entregado. 3.1. Inicialmente se expondrá un esquema básico de la fuente.1: Esquema básico de la fuente con control independiente entre el rectificador y el regulador. . el cual se muestra en la figura 3. Sistema Adjudicado 3.1. 1 El Transformador de Potencia El transformador usado es un transformador trifásico de potencia. 3. El voltaje en el secundario del transformador es aproximado debido a que el fabricante del mismo. 3. Gracias a esto existe un desbalance entre los devanados del transformador que genera variaciones en los voltajes fase-neutro de cada fase en particular Fig. luego un filtro LC y por último el elemento regulador también completamente controlado con un pequeño condensador que sirva de filtro para evitar el rizado a la salida. construyó dos transformadores de configuración delta/estrella de 10kVA cada uno y luego los conecto en paralelo como se muestra en la figura 3. con configuración delta en su devanado primario y voltaje 208Vrms fase-fase. seguido de un rectificador trifásico completamente controlado. de 20kVA.27 La fuente DC esta fundamentada en el esquema de una fuente regulada ampliamente conocido.2.2. quizás por razones de infraestructura. dicha fuente consta de un transformador trifásico de potencia.2: Configuración del transformador de potencia . y en el devanado secundario de configuración estrella y voltaje 132Vrms fase-neutro aproximadamente. sólo que el elemento regulador en éste caso es un transistor de potencia (IGBT) regido bajo un sistema de regulación lineal. En la figura 3.5 donde se puede observar los 6 tiristores dispuestos en pares. típicamente utilizados en rectificación trifásica.2 Modulo Rectificador y Filtro LC Para la etapa de rectificación fue entregado un juego de 6 tiristores encapsulados en pares. también puede verse lo robusto del transformador trifásico con un peso aproximado de 100kgr.2. típico en fuentes de poder con regulación lineal donde los transformadores son grandes y pesados. vale la pena destacar que el chasis también es parte del sistema adjudicado. además se puede observar lo fácil de las conexiones y lo cómodo de su montaje. todos estos dispositivos provenientes de la casa SEMIKRON.4 se observa el encapsulado con 2 tiristores y la simbología respectiva. estos tiristores están ya instalados sobre un disipador específicamente diseñado para ellos y su respectivo extractor o ventilador. El código de los tiristores es SKKT91/04 capaz de circular 150A a través de ellos en operación continua y excelentes características en conmutación.3: Detalle del transformador y parte del chasis 3.28 En la figura 3. 3. Fig. Toda esta etapa de rectificación y filtrado conforma un esquema como el mostrado en la figura 3. en forma de .3 se puede observar el detalle del transformador de potencia debidamente instalado en el chasis. 6 muestra la bobina de aproximadamente 50kgr. dicho sistema de control se describirá en capítulos posteriores. . 3.5: Circuito rectificador y filtro LC Para disponer de un montaje fácil y sencillo del filtro y el rectificador. la figura 3. El condensador de 9600uf esta compuesto por 4 condensadores de 2400uf y 450v de la casa Mallory conectados en paralelo. El filtro LC (inductor y condensador) esta compuesto por una bobina de 1.29 3 ramas las cuales se encargan de rectificar completamente la red trifásica con el control apropiado de los tiristores. 3. Fig. El detalle de éste modulo puede verse en la figura 3.4mH y 150Amp fabricada por la casa Transmagneca.4: Empaque del SKKT91/04 y su respectivo símbolo Fig. fue también entregado como parte del chasis un modulo metálico donde reposarán los condensadores y el disipador con el puente rectificador trifásico.7. además en este módulo también irán instalados el condensador de salida y el elemento regulador. 2.30 Fig. 3. Visualizadora y Fuente Conmutada Con el fin de controlar todo el funcionamiento y monitorear el desempeño de la fuente. la misma viene con un par de circuitos impresos que pueden definirse como la tarjeta de control y la tarjeta visualizadora. los tiristores y el banco de condensadores 3. estos dos circuitos impresos se comunican entre si mediante un bus serial.4mH @ 150Amp Fig.6: Bobina del filtro LC 1.3 Tarjetas de Control. 3. utilizando un protocolo similar al I2C ambos circuitos .7 Detalle del módulo metálico. Visualizadora y Fuente Conmutada. Los periféricos que posee la tarjeta se detallan a continuación: ™ 3 entradas análogas tipo diferencial con rango (0-120) Vrms. 3. este funcionamiento se describirá con más detalle en capítulos posteriores.1 Tarjeta de Control La tarjeta de control entregada es una tarjeta bastante compleja la cuál esta constituida básicamente por un FPGA (Field Programmable Gate Array) que es un dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad se puede programar. ™ Un medidor de corriente de (0-150) Adc. En la figura 3. gestionando el funcionamiento de toda la tarjeta y sus periféricos. apoyado en el efecto Hall. El PIC y FPGA trabajan en una configuración maestro-esclavo respectivamente. un PIC (Peripheral Interface Contoller) que es un microcontrolador y varios periféricos. ™ 6 entradas análogas con rango (0-200) Vdc.8: Tarjetas de Control.8 se puede ver el detalle de las tarjetas.31 impresos están alimentados por una fuente DC conmutada altamente comercial de la casa AUTEC de salida +5 y +12. Fig.3. entregadas. ™ 3 conversores análogo/digital de 12 bits. .2. 3. ™ 6 salidas análogas flotantes totalmente independientes una de otra de valores variables. similar a I2C. ™ 2 conversores digital/análogo de 12 bits. este circuito impreso cuenta con un FPGA y un PIC trabajando en configuración maestro-esclavo respectivamente. (0-10) volts @ (0-100) kHz.32 ™ Comunicación RS-232.2. un teclado y un encoder óptico. ™ 1 salida análoga flotante (0-12) Vdc. ™ El circuito impreso: al igual que la tarjeta de control. 3. los dispositivos que componen este sistema son: El circuito impreso. ™ La pantalla fluorescente: es una pantalla ya descontinuada en el mercado.2 La Tarjeta Visualizadora La tarjeta visualizadora forma parte de un conjunto de dispositivos necesarios para manipular la fuente y visualizar en todo momento su desempeño. de 1x32 caracteres y en él se muestra el estado de la fuente mediante parámetros varios. una pantalla fluorescente de vacío (VFD vacuum fluorescente display). ™ El teclado: es un teclado alfa-numérico con algunas modificaciones especiales para operar a este equipo en particular. el cuál hace las veces de dial para casi todas las funciones de la fuente. también cuenta con una conexión serial similar al I2C con la que es posible la comunicación con al tarjeta de control.3. . ™ El encoder óptico: como su nombre lo dice es un codificador en cuadratura óptico totalmente comercial de salida serial. las cuales se describirán en capítulos posteriores. ™ Bus serial. 2 C 14 ..1u 44 42 43 46 47 45 48 49 h i j k l m dp H2 G 17 G 18 G 19 G 20 G 21 G 22 G 23 G 24 G 25 G 26 G 27 G 28 G 29 G 30 G 31 G 32 1 of 1 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Seg[0.8k C+ C1C2+ C2V+ V- TTLout1 TTLout2 TTLin1 TTLin2 R12 VCC MAX232 232in1 232in2 232out1 232out2 U9 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 U5 VCC Y1 40MHz OU T Phi2 VCC IOControlLogic R8 1.1u 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 W R io R D io Intio C 10 . April 12.1u 8 Selio1 Selio0 C9 .1u R9 2.1u Q Encoder U3 D io5 D io7 D io6 C8 . 2006 Document Number LPS-15KW-IO Sheet Sistema de Entrada Salida Fuente de Poder 15KW 1k 1k C2 10u 7 18 17 16 15 14 13 12 11 10 C3 10u IN1 OUT1 IN2 OUT2 IN3 OUT3 IN4 OUT4 IN5 OUT5 IN6 OUT6 IN7 OUT7 IN8 OUT8 GND Vbb C4 10u 1 2 3 4 5 6 7 8 9 C5 10u Seg0 Seg1 Seg2 Seg3 Seg4 Seg5 Seg6 Seg7 C6 10u Phi1 D io0 D io1 D io2 D io3 D io4 C7 .1u 1 2 8 19 C 12 .1u H1 a b c d e f g1 g2 3 1 C 13 .10: Diagrama Circuital de la Tarjeta Visualizadora.0 h- 33 .7k R10 100k C24 100u R16 R15 Date: Size B Title +48 C19 h100u h+ +48 18 17 16 15 14 13 12 11 10 Wednesday . 3.33u 1k R11 1 4 U12 UC2577-adj GND 6 3 FB Sw GND Comp Vin 5 T1 VFD32 VCC U4 Seg8 1 Seg9 2 Seg10 3 Seg11 4 Seg12 5 Seg13 6 Seg14 7 Diginf 8 9 6118 IN1 OUT1 IN2 OUT2 IN3 OUT3 IN4 OUT4 IN5 OUT5 IN6 OUT6 IN7 OUT7 IN8 OUT8 GND Vbb U2 2 D2 D1 R14 2.2k 6 5 4 R1 R2 F5 clr F6 .1u res res res res GN D res Phi2 res Vc c IN T Phi1 gnd gnd C loc k GN D ena Ky bIN 0 Ky bIN 1 Vc c I O res D ig_Inf D ig_Sup D0 D1 D2 D3 D4 Vc c IO D5 D7 D6 GN D Vc c IN T Sel1 Sel0 res GN D WR RD Int res C lk U p Vc c IO C lk upio 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 VC C C 11 .1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 JP2 13 8 14 7 JP1 VCC Seg10 Seg11 Seg12 Seg13 Seg14 Seg5 Seg6 Seg7 TMS Seg8 Seg9 TDI Seg1 Seg2 Seg3 Seg4 Seg0 VCC Seg_Out0 VccIO TDI Seg_Out1 Seg_Out2 Seg_Out3 Seg_Out4 GND Seg_Out5 Seg_Out6 Seg_Out7 TMS Seg_Out8 Seg_Out9 VccIO Seg_Out10 Seg_Out11 Seg_Out12 Seg_Out13 Seg_Out14 GND 10 10 R13 R7 1. F1 F4 F2 F3 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C 10 VCC 2 4 6 8 10 J1 JTAG 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 9 1 3 5 7 9 2 R4 33k 3 TDI R1 22k 6118 VCC IN1 OUT1 IN2 OUT2 IN3 OUT3 IN4 OUT4 IN5 OUT5 IN6 OUT6 IN7 OUT7 IN8 OUT8 GND Vbb 6118 U11 IN1 OUT1 IN2 OUT2 IN3 OUT3 IN4 OUT4 IN5 OUT5 IN6 OUT6 IN7 OUT7 IN8 OUT8 GND Vbb 6118 U8 IN1 OUT1 IN2 OUT2 IN3 OUT3 IN4 OUT4 IN5 OUT5 IN6 OUT6 IN7 OUT7 IN8 OUT8 GND Vbb 6118 U7 U1 18 17 16 15 14 13 12 11 10 18 17 16 15 14 13 12 11 10 18 17 16 15 14 13 12 11 10 18 17 16 15 14 13 12 11 10 100k R5 2N3906 Q1 IN1 OUT1 IN2 OUT2 IN3 OUT3 IN4 OUT4 IN5 OUT5 IN6 OUT6 IN7 OUT7 IN8 OUT8 GND Vbb U6 Q2 2N3904 2 TCK TDO TMS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 3 8 C21 1500u 6118 h+ +48 33 41 40 35 34 36 39 38 37 C20 .1u C23 0.2k TCK VCC TDO RA5/AN4/SS RA4/TOCKI RA3/AN3/VRef + RA2/AN2/Vref RA1/AN1 RA0/AN0 MCLR/Vpp VCC VCC 1 C22 .14] Rev 1.2k Clkupio 9 10 22k 0 C1 1n R6 K1 2x10 KY B Intro 3 2 1 RB7/PGD RB6/PGC RB5 RB4 RB3 OSC2/CLKOUT RB2 RB1 RB0/INT OSC1/CLKIN RC7/RX/DT RC6/TX/CK RC5/SDO RC4/SDI/SDA RC3/SCK/SCL RC2/CCP1 RC1/T1OSI/CCP2 RC0/T1OSO/T1CKI U10 PIC16F872 Dig_Out0 Dig_Out1 GND TDO Dig_Out2 Dig_Out3 Dig_Out4 Dig_Out5 VccIO Dig_Out6 Dig_Out7 Dig_Out8 TCK Dig_Out9 Dig_Out10 GND Dig_Out11 Dig_Out12 Dig_Out13 Dig_Out14 Dig_Out15 R2 2.1u G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G 10 G 11 G 12 G 13 G 14 G 15 G 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 4 Vs s Vs s VD D 20 Fig.8k 1 3 4 5 2 6 12 9 11 10 1u C18 2 4 6 8 1u C17 1 3 5 7 J2 Inv Fase 1u 1u C15 C16 D iginf Dio5 Dio4 Dio3 Dio2 Dio1 Dio0 Intio Dio7 Dio6 Selio1 Selio0 WRio RDio 7 6 5 4 3 2 28 27 26 25 24 23 22 21 18 17 16 15 14 13 12 11 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59 58 57 56 55 54 R3 2. que es material de que esta hecho el disipador. mientras que entre el transistor y el disipador está la placa de cobre diseñada especialmente para poder fijar el transistor sobre el disipador y por último el ventilador que se encargará de forzar aire a través del disipador. el teclado. la pantalla y el encoder óptico. .11 se puede observa el dispositivo con su respectiva simbología. junto con todas las otras piezas necesarias para la culminación del chasis. SKM400GA124D de 1200 voltios y capaz de circular a través de él 300Amp @ 25°C. es un transistor de potencia.12 se observa el detalle de los tiristores que ajustan de manera exacta en el disipador.2.34 En la figura 3. de igual manera se puede ver el PIC. Esta parte del sistema de visualización no cuenta con ninguna estructura donde se puedan instalar estos dispositivos. Éste transistor proveerá la regulación final de la fuente ayudado por un condensador de 450 volt y 2400uf. 3. específicamente un IGBT de la casa SEMIKRON. El diseño y fabricación de esta estructura es tema de otro capítulo donde se describirá a detalle todo el proceso de la misma. En la figura 3. En la figura 3. 3.11: IGBT SKM400GA124D y su símbolo Este transistor vino adaptado para poder fijarlo sobre el disipador donde están fijos también los tiristores. igual a los de la parte de rectificación y filtrado incluso del mismo fabricante.10 se muestra el diagrama circuital de la tarjeta visualizadora. el transistor esta montado sobre una placa de cobre que ayuda a la disipación de calor del mismo ya que el coeficiente de conductividad térmica del cobre es mucho mayor que el del aluminio. el FPGA. Fig.4 El Transistor de Potencia IGBT Como fue expuesto anteriormente el elemento regulador de esta fuente DC. 12: Detalle del disipador y sobre éste el módulo rectificador. . 3.35 Fig. el transistor de potencia y el ventilador. 4.2.2 y 4. 4. 4. y otro par de barras de cobre más que sirvió para interconectar los 3 pares de tiristores que se encargan de la rectificación. 4. las cuáles unen todo el banco de condensadores para crear la conexión en paralelo de los 4 condensadores de 2400uf cada uno. de igual manera las partes de rectificación.1.1 Rectificación y Filtrado Para la operatividad de la etapa de rectificación y filtrado fue necesario perforar y cortar un par de barras de cobre. Para el diseño de las partes restantes del chasis se utilizó un software de dibujo en 3D (Autodesk Inventor) que permitió visualizar mejor las piezas a diseñar y así armonizar la fuente lo más posible. visualización y control también carecen de algunas partes necesarias para su operatividad. Presentación En ésta parte del trabajo se presenta el diseño e implementación de las partes faltantes del chasis. Piezas y Partes Faltantes Como se observó en el capítulo anterior el chasis entregado esta bastante completo sólo faltan algunos detalles para su operatividad plena. Fig.1. Culminación del Chasis y Cableado 4.3 se nota el detalle de las barras y su correspondiente instalación. En las figuras 4. filtrado. así como la interconexión y cableado de todas las partes que conforman la fuente.2.36 4.1: Barras perforas de cobre utilizadas para la interconexión del banco de condensadores y los 3 pares de tiristores . 2.3: Banco de condensadores conectados en paralelo con el par de barras de cobre 4.1 mm de espesor un panel que se ajustó al chasis y donde se pudo instalar todo lo . la pantalla de vacío y el encoder óptico.37 Fig.2: Módulo de tiristores puenteados con las barras de cobre Fig. 4.2 Visualización El chasis no contaba con un panel frontal en donde se pudiera fijar el circuito impreso correspondiente a la parte de visualización. Para solucionar este problema se diseño en una lámina de acero negro de 1. 4. el teclado. 5: Panel listo y ensamblado. La figura 4. mientras que en la figura 4. 4.5 se puede observar ya el panel fabricado y todos los dispositivos perfectamente instalados Fig.4 muestra el diseño del panel frontal y un soporte necesario para fijar el teclado. 4. .38 antes mencionado.4: Diseño del panel frontal y un soporte necesario para fijar el teclado Fig. El sensor utilizado para medir la corriente es un sensor comercial de la casa Honeywell (CSLA2CF) el cuál es mostrado en la figura 4. Además fue necesario el diseño y elaboración de un par de piezas metálicas más. a través del sensor. Fue necesario el diseño y elaboración de varias piezas en cobre para hacer posible la medición de corriente. para conectar térmicamente una resistencia y un transistor al disipador donde reposan los tiristores y el transistor de potencia. estos dos componentes están inmersos en el proceso de medición y su disipación de potencia es importante.4.3 existe un campo eléctrico y un campo magnético. Y aunque la disposición de dicho sensor en el circuito impreso es estratégica era preciso elaborar un complemento.6. esta implementado un medidor de corriente directa. como se mencionó anteriormente. que esta basado en el principio del efecto Hall.7 se muestra el diseño de las piezas obligatorias para el correcto funcionamiento del medidor de corriente Fig. En la figura 4. . cuando se somete una barra de material conductor o semiconductor por la cuál circula corriente a un campo magnético. Fig.7: Diseño en 3D de las piezas necesarias para la medición de corriente.39 4.2. esto debido a que era necesario hacer pasar una barra metálica por la cuál pasará la corriente de salida.3 Control En la etapa de control de la fuente.6: Sensor de corriente CSLA2CF. tal como fue explicado en el apartado 2. 4. 4. 4 Chasis General Con el fin lograr un producto final de calidad. fue necesario diseñar y elaborar varias piezas indispensables para la armonía y operatividad de la fuente. 4. la barra de cobre con sus respectivas bases y las conexiones térmicas al disipador.2.8: Detalle de el sensor de corriente. como se observo en el capítulo 3 el chasis adjudicado esta descubierto. 4.40 Fig. además no cuenta con ningún recubrimiento antioxidante que evite el desgaste prematuro del hierro. Fig. 4.9: Diseño de la carcasa completa de la fuente y bornera . 10: a) Detalle de las borneras ya fabricadas b) Carcasa completa del chasis 4. una tapa trasera y una tapa que cubra la parte superior y los laterales. el ruido y el sobrecalentamiento de las uniones. 4. Fig. se procedió a la interconexión de todas las partes y subsistemas. esto puede considerarse un nivel de corriente alto donde las conexiones eléctricas deben estar lo más unido posible para disminuir al máximo la agitación térmica. de esta manera la fuente queda completamente aislada de agentes externos e interferencia electromagnética.41 Para solucionar esto se decidió fabricar una tapa frontal.2. cuyas bananas sean de forma ligeramente cónica para asegurar mayor cantidad de superficie en contacto y toda la corriente no fluya por un solo sitio. para luego ser recubierta toda con varias capas de pinturas anticorrosivas y decorativas y así lograr un acabado de buena calidad y durabilidad. elaborar e implementar un rectificador trifásico controlado mediante un control discreto . recordemos que el objetivo principal de la tesis propuesta es: Diseñar. tal como se estila en las computadoras de oficina. También se limpió toda la superficie del chasis y las láminas con un material abrasivo. Para mitigar problema del sobrecalentamiento y la agitación térmica se ideo que la salida de la fuente sea a través de borneras echas en latón. En la figura 4.9 puede observarse el diseño de toda la carcasa de la fuente y el del conector de salida.5 Cableado Preliminar Una vez terminadas todas las piezas y partes faltantes para el correcto funcionamiento de la fuente. Como bien se sabe la fuente a implementar tiene una capacidad máxima de suministro de corriente de 100 amperios. También se colocó el panel frontal y se realizaron las interconexiones pertinentes como por ejemplo: bus de comunicación entre las tarjetas de control y visualizadora. en el momento que se pulsa SW2 (normalmente abierto) se energiza la bobina del contactor cerrando todos sus contactos y alimentando el devanada primario del transformador de potencia. 1 COM1 NO1 R COM2 NO2 2 3 Dev anado primario del transf ormador de potencia S COM3 NO3 T A SW2 NO B 0 Contactor SW1 NC Fig. Obsérvese también que.11 se puede observar el esquema utilizado en el encendido y apagado de la fuente. consta de un par de pulsadores.11: Esquema del encendido/apagado de seguridad de la fuente Luego se colocaron las barras de cobre respectivas al banco de condensadores y al banco de tiristores. pero éste se encuentra embebido en una fuente DC la cuál debe ser construida y examinada completamente para poder validar el funcionamiento del rectificador trifásico. en el momento que se oprima SW1 la bobina del contactor queda sin energía. uno normalmente cerrado y otro normalmente abierto y un contactor el cuál trabaja de manera enclavada. los contactos se abren y la energía a través del transformador se extingue. Se fijaron los circuitos impresos correspondientes a control. circuito de disparo de los tiristores.42 (PID digital). 4. en este mismo instante ocurre un puente entre la fase “T” a la salida del contactor y el extremo “A” de la bobina. Se comenzó por instalarle a la fuente un sistema de encendido/apagado de seguridad ampliamente utilizado en la industria. en la figura 4. Debido a los niveles de potencia manejados por esta . bus de alimentación DC de los circuitos impresos entre otros. en medio de este puente se encuentra otro pulsador SW1 (normalmente cerrado) esto mantiene a la bobina del contactor energizada aún cuando el pulsador SW2 sea liberado. el pulsador SW2 sirve para arrancar el sistema. visualización y fuente conmutada. con un pequeño cajetín donde están instalados los pulsadores SW1 y SW2 esto es sólo para efectos prácticos porque en los diseños de la lámina frontal figura 4. Las figuras 4. 4. a) b) Fig. En esta etapa de cableado preliminar no se instaló en elemento regulador (transistor de potencia IGBT) y tampoco la bobina la bobina del filtro LC del rectificador ocupaba su sitio original. de igual manera se observa la conexión del sistema de encendido y apagado de seguridad al devanado primario del transformador de potencia.9 se puede observa los orificios dispuestos para tal fin. se utilizó un cable multifilar flexible tipo FR-1 el cuál es ideal para éste caso.13 y 4.12 se puede observar el detalle del chasis parcialmente ensamblado y perfectamente pintado. debido a que las primeras pruebas experimentales a efectuar serán las de rectificación. . En la figura 4.14 muestran la fuente completamente cableada además hace referencia al panel frontal con sus dispositivos instalados. no regulación y la bobina es muy grande e interfería con la manipulación de la tarjeta de control respectivamente.12: a) Chasis ensamblado y pintado nótese el panel frontal.43 fuente al cablear las partes que soportan altas corrientes. b) Contactor de enclavamiento para el encendido y apagado de la fuente. 14: Detalle de la interconexión de la tarjeta de control.45 Fig. 4. Fig. 4.13: a) Fuente completamente cableada. b) Parte trasera del panel frontal. . 3 pares de tiristores dispuestos de manera específica disparados en instantes de tiempo perfectamente sincronizados y variando el ángulo de disparo α se puede obtener una señal DC con un rizado de frecuencia 360Hz a la salida del filtro rectificador. éstos disparos son básicamente un tren de pulsos de frecuencia media con la amplitud necesaria para generar el disparo en el tiristor. Para solventar éste problema se colocó una resistencia de 100Ω en paralelo con el devanado secundario del transformador. es que la señal de disparo es un tren de pulsos. porque como es bien sabido.4. La primera consiste en la rectificación trifásica de la red eléctrica convencional. En un principio. es obvio que la oscilación persiste pero la amplitud ya esta .2. gracias a los transformadores de aislamiento. los transformadores tienen un pésimo desempeño ante excitaciones de tipo continuo.4.5 y 2. 5. está programado con una rutina basada en una máquina de estados sencilla la cuál se encarga de generar los disparos. éstas oscilaciones se deben al circuito LC que se forma en el devanado primario del transformador de aislamiento.1 la rectificación trifásica consiste básicamente en.2. 5. En la misma tarjeta de control se encuentran un par manejadores y 6 transformadores de pequeña señal con relación 1:1. En la figura 5. la amplitud del tren de pulso del disparo no fue suficiente para excitar al tiristor además de presentar oscilaciones al principio y final del mismo. que es por naturaleza oscilatorio.1 se puede observar la forma de los disparos luego de colocar la resistencia de 100Ω. Resultados Experimentales y Consideraciones teóricas 5. cuya finalidad es acondicionar y aislar la señal de disparo de cada unos de los tiristores.1 Acondicionamiento de las Señales de Disparo El FPGA contenido en la tarjeta de control. la segunda es la implementación de un PID discreto y la tercera se fundamenta en la regulación lineal de la fuente. la cuál se va extinguiendo a medida que el ángulo de disparo α va aumentando.46 5.5ms que equivale a 120° para α=0°. Presentación Los resultados experimentales se exponen en tres grandes etapas. dicho tren de pulsos tiene una duración de aproximadamente 5.5.1. Rectificación Trifásica Como se estudio en el apartado 2. después de varias pruebas se halló un valor adecuado del condensador 470nf.2. 5. Fig. la diferencia entre los disparos con el condensador de 470nf y sin dicho condensador puede verse en la figura 5.47 cerca a 4 voltios lo cuál es suficiente. Fig. .2: Detalle del acondicionamiento de la señal de disparo. 5. donde el canal 1 representa la señal de disparo con el capacitor de 470nf y el canal 2 sin el mismo.1: Disparo de los tiristores 1 y 2 luego de colocar la resistencia de 100Ω Para mitigar el problema de las oscilaciones se procedió a cambiar el condensador que precede al devanado primario de los transformadores de aislamiento. pero la oscilación debe corregirse puesto que podría generar falsos disparos en los tiristores. ST. TR. En la gráfica 5.3 pueden verse todos los pulsos de disparo con respecto a la señal de referencia RT. como se vio en el apartado 3. podrían definirse las señales RT=R-T. teóricamente la señal RB cruza por cero justamente en la intersección de las señales R y B. de igual manera ocurre con todas las otras señales correspondientes a las restantes combinaciones. también puede apreciarse el ancho de todos los pulsos de exactamente 120° o 5. fue necesario revisar la autenticidad de las señales de referencia RT. Utilizando un software para simulación de circuitos electrónicos se logró obtener las formas de ondas reales de las señales RT. Una vez obtenidas las formas de onda de . RS y ST corresponden a sus respectivas señales negadas o desfasadas 180°.5ms lo que implica α=0°. se vio anteriormente que los pulsos de disparo son directamente generados a partir de las ya antes mencionadas señales de referencia. debido a la escala utilizada en el osciloscopio los pulsos se muestran tan pegados. Es fácil darse cuenta que dichos disparos están completamente al revés si se comparan con la figura 2. ST y TS puesto que. las manchas negras corresponde a los trenes de pulso antes mencionados. S y T en todas sus combinaciones posibles.13 y 2.1 la tarjeta de control cuenta con un PIC16877-A y un FPGA EPM7128SLC84-15 trabajando en una configuración maestro esclavo respectivamente. donde tomamos a R como la fase de referencia.2 Sincronización de los Disparos Las señales de disparo de los 6 tiristores son generadas por la tarjeta de control. Entonces se puede sincronizar los disparos de la siguiente manera: S1.4. capaz de generar las señales RS. RS y ST de igual manera. SR y TS respectivamente y S4.48 5. El circuito impreso de control cuenta con un arreglo de amplificadores operacionales y comparadores. RT y TR a partir de la red trifásica comercial. las figuras 2. TR.14 muestran las 6 señales de disparo de los tiristores para distintos ángulos de disparo. SR. SR. RS. Para solventar el problema de que todos los disparos están completamente invertidos.5. pero en la parte experimental se utilizó una forma distinta e igual de efectiva. S y T.13.1 se describe una forma de sincronizar las señales de disparo. S2 y S3 con los cruces por cero de las señales RT. que parecieran solaparse. TS y ST que no son más que la suma algebraica de las señales R.3. S5 y S6 con los cruces por cero de TR.2. RS. Asumiendo las fases de la línea trifásica como R. por medio de detección de fase y cruces por ceros de las señales. SR. Nótese el orden correlativo de los disparos y la separación exacta de 60° entre cada uno.10 que. En la sección 2. Se puede observar en la figura 2. SR y TS dando por entendido que las señales TR. TS.2. S como la fase +120° y T como -120°. Fig.49 las señales antes mencionadas se compararon con las obtenidas en la tarjeta de control. arrojando ésta comparación resultados desconcertantes. 5. ya que las señales eran idénticas. f) Pulso de Disparo T6 vs RT . b) Pulso de Disparo T2 vs RT. c) Pulso de Disparo T3 vs RT. e) Pulso de Disparo T5 vs RT. d) Pulso de Disparo T4 vs RT.3: a) Pulso de Disparo T1 vs RT. 5 apartado b) no sirven como entradas al FPGA. Gracias a esto. correspondiente a la forma de onda de la señal RT.22u R12 1 Vg5 Vg6 R8 47 X6 MCR225-4FP R9 C5 . la diferencia de amplitudes entre los resultados de la simulación y las señales obtenidas de la tarjeta de control. lo importante aquí es destacar la validez de las señales RT. que las señales mostradas en la figura 5. Gracias a lo antes mencionado se muestran dos cuadros por separado en el apartado b) de la figura.22u Vrn C3 . es claro darse cuenta de la inversión total de signo o si se .9 9600u C8 .22u Vtn R1 C1 .4 se puede ver el circuito con el cuál se simuló la rectificación trifásica. se midieron por separado las señales manteniendo siempre el enganche o la referencia el canal 1. La figura 5. y ya es bien sabido que éste es un dispositivo lógico programable el cuál no posee entradas ni salidas análogas.22u S Vg1 S VCC 12Vdc Vrn L1 VDD S VCC Vg2 R10 47 X2 MCR225-4FP C4 .22u R16 1 0 Fig.5mH 47 X5 MCR225-4FP Vsn C6 . dichas señales sufren en la tarjeta de control un proceso de digitalización. dicho proceso tiene como fin primordial acondicionar la señal para poder ser utilizada por el FPGA. en ésta imagen puede verse el detalle de las puntas de prueba dispuesta sobre las fases R. En la figura 5.5 muestra la comparación de las formas de onda del circuito simulado y las obtenidas en la tarjeta de control. es decir. S y T necesarias para obtener la medición diferencial de las señales RT. R4 S Vtn S VR S VV+ VS S V+ V- VT Vg4 R7 47 X4 MCR225-4FP R2 C2 . esto motivó a realizar un examen más detallado de la tarjeta de control y del como se generaban los pulsos de disparo en ella.22u 0. 5.22u R14 1 1.4: Circuito del rectificador trifásico simulado. Debido a que el osciloscopio utilizado para las mediciones sólo contaba con 2 canales. Anteriormente se mencionó al FPGA como dispositivo encargado de generar los pulsos de disparo. nótese la diferencia de +120° entre la fase de las señales RT y TS y -120° entre RT y SR para ambas gráficas.05 R15 1 47 X3 MCR225-4FP S VV+ R13 1 47 X1 MCR225-4FP 0 Vsn Vg3 1 VSS R3 S R11 C7 . es relativa y no tiene ninguna relevancia en éste caso. TS y SR.50 En la figura 5.6 se puede ver la señal de referencia RT análoga y su correspondiente digitalización. TS y SR de la tarjeta de control. ejecutado por un arreglo de comparadores. Aunque los resultados obtenidos anteriormente fueron óptimos el problema de la inversión en todos los pulsos de disparo persistía. 5.51 quiere también puede verse como un defasaje de 180° de la señal digitalizada con respecto a la señal análoga. Por supuesto esta inversión en las señales de referencia genera los pulsos de disparo totalmente invertidos como se distinguió en la figura 5. TS y SR. Fig.3. Otro detalle importante que puede apreciarse es que. puesto que en la tarjeta de control cada una de ellas contaba con su negado .5: a) Simulación de las señales de referencia RT. esto es debido a la detección de fase con que cuenta la tarjeta de control. b) Señales RT. TS y SR obtenidas en la tarjeta de control. Solventar el problema de inversión de todas las señales de referencia digitales fue muy sencillo. los cruces por ceros de ambas señales no corresponden. Al igual que RT todas las otras señales de referencia restantes también presentan un desfajase de 180° entre la analógica y la digital. la señal RT fue cambiada por su negado TR y viceversa. . 5. 5. todos los pulsos de disparo comenzaron a figurar el comportamiento deseado. porque el FPGA tiene la virtud. tales como.52 lógico. En la figura 5. dicho comportamiento esta citado en la figura 2. Físicamente el circuito impreso de la tarjeta de control no cambió en lo absoluto con éste intercambio.7 puede observarse los dos primeros pulsos de disparo (T1 y T2). los mismos están separados por 60° y tienen la ubicación correcta así mismo ocurre con los otros 4 pulsos de disparos correspondientes a T3.6: Señal de referencia RT análoga y RT digital desfasada 180°. por ejemplo. Fig. para un ángulo de disparo igual a cero grados. entonces bastó solo con intercambiar las señales. pines de alimentación y reloj entre otros. T4. Luego del intercambio de todas las señales digitales de referencia.7: Señales de disparo T1 y T2 con respecto a la fase R para un α=0°.13. de que sus pines de entrada/salida pueden cambiarse vía software a discreción salvo algunas excepciones. T5 y T6. Fig. todo esto con el fin de muestrear y registrar todas las señales al mismo tiempo.53 5.8 muestra la tarjeta de adquisición de datos y la tarjeta extensora utilizadas. La figura 5. la cuál se encuentra en el panel frontal de la fuente. se debe aclarar que el valor del ángulo de disparo es asignado directamente desde la tarjeta de visualizadora.3 Duración del Pulso de Disparo y Observación de la Onda Rectificada Antes de comenzar. 4 salidas analógicas y 48 E/S digitales. dicha consigan de el valor del ángulo alfa viaja a través del bus de comunicación que existe entre ambas tarjeta. a partir de α=60° la onda rectificada desaparecía por completo.5ms o 120° para un α=0° y a medida que el ángulo de disparo aumenta. como los vistos anteriormente en la figura 5. en un formato que más adelante será comentado. Aunque todos los pulsos de disparos estaban intachables. se recurrió al uso de una tarjeta de adquisición de datos de la casa National Instruments. la duración del pulso de disparo disminuye hasta extinguirse por completo para un α=120°. el modelo utilizado fue 779068-01 de la serie M la cuál cuenta con 32 entradas análogas. y así confirmar que las antes mencionadas señales ocupan el espacio y tiempo correcto.2. También fue necesario el uso de tarjeta extensora igualmente de la casa National Instruments. Para aceptar las señales de los disparos medidas por separado. Como el osciloscopio utilizado para las mediciones sólo contaba con 2 canales. una vez que todos los pulsos de disparo estuvieron perfectamente acondicionados y sincronizados se procedió a las pruebas de rectificación. evitando así cualquier problema que pudiese existir en las mediciones por separado. las mediciones de los pulsos de disparo debieron hacerse por separado. y llega directamente al PIC de la tarjeta de control. En apartados anteriores se vio que el pulso de disparo dispuesto por el FPGA es en realidad un tren de pulsos de frecuencia media. la rectificación no era completa. Entonces. Dichas mediciones arrojaron resultados satisfactorios. esto por supuesto representaba un gran problema. pero siempre manteniendo una misma señal de referencia o enganche. con la salvedad de no tener conectado aún el filtro LC. . se decidió no exponer el banco de condensadores y la bobina a posibles picos bruscos de tensión.7. el cuál tiene una duración de aproximadamente 5. debido a que dicho filtro posee un banco de condensadores que representaba una capacitancia muy alta y ante la incertidumbre de los resultados preliminares. 54 Fig. 5. nótese que dichas señales están perfectamente desfasadas y no tienen ninguna inversión de signo. SR y TS tanto analógicas como digitales.9: Código en LabVIEW para registrar las señales de referencia y disparo. (LabVIEW) se procedió a crear una sencilla interfaz gráfica que permitiera registrar los datos y mostrarlos de una manera fácil. para obtener todas las señales de referencia y los pulsos disparo. lo primordial aquí es el orden correlativo que presentan todos los disparos y su disposición ante las señales de referencia. 5. en la figura 5. De igual manera la figura 5. Cabe destacar lo más importante en ésta figura son los pulsos de disparo. aunque eso no sea de relevancia en éste momento.10 muestra las señales de referencia RT. también debe señalarse que todos los pulsos de disparos son invariantes en el tiempo lo que varia en ellos es la duración del mismo.8: De izquierda a derecha: Tarjeta de adquisición de datos y extensora utilizadas Contando con la ayuda de un software igualmente de la casa National Instruments. Con los datos obtenidos hasta . Fig.9 se puede ver el código gráfico implementado en (LabVIEW). para éste caso en particular el ángulo de disparo α es mayor que cero. es decir. Fig. Pueden observarse algunos detalles relevantes en ésta figura. Pero aunque se puede validar todo esto. efectivamente y como se mencionó en apartados anteriores.11 se muestra la forma de onda de la señal rectificada y el pulso de disparo del tiristor uno (T1). así como todas las señales y formas de ondas involucradas en dicho proceso.10: Datos logrados con la tarjeta de adquisición de datos 779068-01: a) Señales de referencia analógicas. α=0° hasta α=120°. esto ocurre de igual manera con todos los otros pulsos de disparo restantes. sigue presentado fallas al igual que la forma de onda de la señal rectificada aún se extingue para valores de α mayores a 60°. se puede validar el correcto funcionamiento del sistema de generación de disparo para los tiristores.55 ahora. El hecho de que todos los pulsos se extingan tiene sentido ya que un α=120° implica cero voltaje en el rectificador y esto a su vez significa que no debe existir ningún pulso de disparo que active tiristor alguno. b) Señales de referencia digitales y c) Pulsos de disparos. Como segundo detalle relevante y tal como se predijo al inicio de éste apartado se tiene que. el voltaje en el rectificador se apaga por completo a partir de α>60° y no en 120° como debería ser. aquí es donde radica el mayor problema. para un barrido completo del ángulo de disparo. el pulso de disparo se extingue a medida que α aumenta. En la figura 5. la rectificación en sí. el primero es que. Se puede comentar en esta gráfica la ausencia . 5. 11: Barrido del pulso de disparo T1 vs. 5.56 del banco de condensadores en el filtro LC. Fig. por lo cuál la señal rectificada presenta esos grandes valles a medida que el ángulo de disparo se incrementa. Si se observa con más detalle las gráficas de la figura .5. Como se vio en el apartado 2. Voltaje rectificado.4. para permitir el flujo de corriente a través de ellos y de ésta manera se mantengan los dispositivos activos. de la misma manera se puede observar los pequeños picos en la onda rectificada justo al comienzo del pulso de disparo que denotan la conmutación de los dispositivos. para la rectificación trifásica siempre existe un par de tiristores en conducción uno de la rama superior y el otro forzosamente de la rama inferior. apagando así los dispositivos y llevando el voltaje rectificado a cero voltios. De ésta manera siempre existirán los pulsos de disparo garantizando así la conducción del par de tiristores en todo momento. . no importa si el pulso de disparo existe en un instante de tiempo incorrecto. Existe en la señal de la onda rectificada una zona donde la rectificación intenta desaparecer. aunque la señal de la onda rectificada ya esta completamente extinta. al excitar al tiristor con su debido pulso de disparo. para que en lugar de sofocar el ancho del pulso de disparo a medida que aumente α. si el dispositivo no esta correctamente polarizado el mismo no se activa. se desplace todo el pulso de disparo de ancho 120°. El hecho de que. ya con el código del FPGA corregido. hasta el valor del ángulo de disparo deseado. Ésta gráfica también refuerza lo antes mencionado. porque si así fuese. vuelve a recuperarse la rectificación. pero gracias al tren de pulsos con ancho fijo. sólo quedaba modificar el código programado en el FPGA. no se tiene una explicación clara de lo que esta sucediendo aquí.57 5. de igual manera ocurre con los 5 pulsos restantes y de cómo la señal rectificada no se apaga para valores α≥60°. Indujo a que el problema podía radicar en la ausencia de pulsos de disparo en algún instante de tiempo. el flujo de corriente a través de los tiristores no sea constante y sabiendo que la sincronía y acondicionamiento de los pulsos de disparo es perfecta. Éste fenómeno no se encontró en ninguna bibliografía consultada ni aparece en las simulaciones. se vea cortado por alguna razón hasta el momento desconocida. por un pequeño instante de tiempo el flujo de corriente en el par de tiristores que se encuentren en conducción. éstos picos corresponden a intentos de conducción de los tiristores porque coinciden justamente con el inicio del pulso de disparo. Es fácil darse cuenta que el ancho del pulso de disparo es invariante para cualquier ángulo de disparo. apréciese que lo importante en dichos pulsos es donde inician y no si éstos existen en un instante de tiempo incorrecto.11 puede verse que. Entonces es posible que. En la figura 5. y en realidad no es muy relevante puesto que los resultados son los esperados. alcanza a verse incluso pequeños picos en la misma.12 se puede ver el pulso de disparo del tiristor uno (T1) y la forma de onda de la señal rectificada para un barrido completo de α. éste se comporta como un diodo y si no está correctamente polarizado el mismo no conduce. los cuáles pueden verse en la figura 2. Con respecto a la zona en donde la rectificación comienza a experimentar apagados y encendidos continuos se puede comentar que.58 Fig. se procedió a conectar el mismo y efectuar las pruebas finales de rectificación las cuales están expuestas en la figura 5. . Dichas pruebas arrojaron buenos resultados. salvo algunos pequeños detalles que se repararán con el filtro LC. 5. Voltaje rectificado.8. Luego de observar que la señal rectificada obtenida responde a plenitud a los resultados teóricos esperados. se puede apreciar en la figura 5.12 que la frecuencia del rizado de la onda rectificada es igual a 360Hz. debido a que la frecuencia del tren de pulso de disparo es por el orden de las decenas de kHz y el tiempo de carga y descarga del banco de condensadores es mucho mayor que ésta frecuencia. La figura 5. Tal como se predijo al inicio de éste capítulo. observándose un voltaje máximo del rectificador de 212Vdc el cuál disminuye paulatinamente hasta 0Vdc de la mano del ángulo α.13 muestra el detalle del tren de pulsos y la conmutación de la señal rectificada. al conectar el filtro LC el banco de condensadores se encargará de mitigar éste efecto.12: Barrido del pulso de disparo T1 vs. para distintos valores de α (código FPGA corregido).14. para un valor del ángulo de disparo igual a cero. .14: Forma de onda de la señal rectificada una vez conectado el filtro LC. Fig. 5. para distintos valores del ángulo de disparo α.13: Detalle de la zona de conmutación en la señal rectificada con respecto al tren de pulso de disparo T1.59 Fig. 5. 12 16 75 167.05 18 85 159. Anteriormente se explicó que el ángulo de disparo está controlado principalmente por el PIC de la tarjeta de control.00 Tabla 5.6 0.49 3 10 201 0.1: Valores medidos en el rectificador.6 0.87 38 185 36.01 21 100 145. Muestra Alpha Vout Vout Norm Muestra Alpha Vout Vout Norm 1 0 201 0.9 0.5 0.00 23 110 134. que reflejan la relación entre el ángulo de disparo (α) y el voltaje en el mismo. pero el FPGA es quién se encarga de la sincronización y elaboración del tren de pulsos de disparo.52 2 5 201 0. el PIC le envía a dicho dispositivo el α en forma de una palabra de 8bits.01 22 105 140.02 20 95 150 0.4 0.4 0.6 0.34 8 35 193.6 0. es en él donde se genera dicho ángulo.84 40 195 25.00 24 115 129.3.2 0.2 0.6 0.5 0.96 31 150 82.20 12 55 181.94 33 160 69.55 52 255 0 0.65 49 240 0.3 0.46 4 15 200 0.15 14 65 174.97 27 130 108.05 19 90 154.95 32 155 76.2 0.72 46 225 2.6 0.4 0.1 0.26 10 45 190.5 0. que corresponde a un número entero comprendido entre 0 y 255.1 0.96 30 145 95.5 0.23 11 50 184.9 0.4 0.97 28 135 102.70 47 230 1. el siguiente paso fue la realización de un controlador PID discreto que manipulara el ángulo de disparo. necesitaba conocer anticipadamente la relación que existe entre el voltaje del rectificador y el ángulo α.5 0.2 0.7 0. para así controlar el voltaje en el rectificador.9 0. El PID Discreto Una vez superada la etapa de rectificación trifásica. Para la realización de dicho controlador fue necesario caracterizar al rectificador como un sistema y desarrollar una pequeña interfaz gráfica que ayudara a visualizar el desempeño del controlador.8 0.12 15 70 171 0.18 13 60 178.82 41 200 24 0.1 0.00 25 120 122.40 6 25 197.9 0.7 0.76 44 215 10. Gracias a que el FPGA es un dispositivo lógico.1 0.9 0.46 5 20 199 0.8 0.34 9 40 191 0.5 0.74 45 220 4.37 7 30 195.08 17 80 163.92 36 175 47.59 51 250 0 0.1 Caracterización del Rectificador El poder elaborar el controlador PID.67 48 235 0.93 34 165 69. 5.3 0.97 29 140 95.80 42 205 16.3 0.89 37 180 41.00 26 125 114.3.4 0.2 0.86 39 190 31.92 35 170 55 0. .62 50 245 0 0.60 5.79 43 210 11.8 0. 15 puede observarse.15 se puede ver la gráfica de voltaje en el rectificador vs el ángulo de disparo dicha curva es la descrita por los puntos experimentales. la tabla 5.9994 180 160 140 Vout 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 Alpha Fig. otra razón más para validar el funcionamiento del rectificador. Vrect vs Alpha 200 4 3 2 y = 1E-07x . las la ecuación que describe a la línea de tendencia. Luego con estas muestras se procedió a elaborar una gráfica con un software de presentaciones gráficas.52 2 R = 0.0022x . Arriba a la izquierda de la figura 5. los puntos un poco fuera de rango corresponden a errores de medición.3E-05x . En el momento de obtener las muestras se utilizó como carga al rectificador un arreglo de dos (2) bombillos de alógeno de 1000watts @ 208Vrms cada uno. se tomaron 52 muestras tanto de α como del voltaje rectificado. 5. además de poseer el voltaje en el rectificador normalizado. de igual manera se aprecia la forma la línea de tendencia trazada con la ayuda del software . pero en intervalos de 5 unidades enteras. En la figura 5. para exigir una corriente significativa al mismo.15: Gráfica de voltaje rectificado vs ángulo de disparo (formato 8bits). como era de esperarse corresponde con la curva teórica expuesta en la figura 2.0.166x + 202.61 Para caracterizar el comportamiento del voltaje en el rectificador con respecto al ángulo de disparo.9. el voltaje máximo en el rectificador disminuyó de 212Vdc a 201Vdc. la cuál es polinómica y de orden 4. dicha ecuación se .0. Éstas muestras representan un barrido completo del ángulo de disparo entre 0 y 255. Una consecuencia derivada de la implementación de dicha carga fue que. para observar la forma de la curva y obtener de ella una ecuación que describa su comportamiento.1 muestra las antes mencionadas muestras. dicha tabla contendrá sólo un rango de los posibles valores que arrojará la ecuación del controlador PID discreto. porque el controlador PID espera iguales respuestas a los mismos intervalos de cambio en la entrada. En una primera propuesta se estableció los rangos de la fuente como [0150]Vdc @ [0-100]Amp.15.62 utilizó para crear una nueva tabla. y obviamente una respuesta de este estilo arco cosenoidal no se comporta así. PID ALFA PID ALFA PID ALFA PID ALFA PID ALFA 0 242 39 182 78 156 117 123 156 89 1 238 40 181 79 155 118 122 157 88 2 236 41 180 80 155 119 121 158 87 3 233 42 180 81 154 120 120 159 86 4 230 43 179 82 153 121 120 160 85 5 227 44 178 83 152 122 119 161 84 6 225 45 178 84 151 123 118 162 83 7 223 46 177 85 151 124 117 163 82 8 220 47 177 86 150 125 116 164 81 9 218 48 176 87 149 126 115 165 80 10 216 49 175 88 148 127 114 166 79 11 214 50 175 89 147 128 113 167 78 12 212 51 174 90 147 129 113 168 76 13 210 52 174 91 146 130 112 169 75 14 209 53 173 92 145 131 111 170 74 15 207 54 172 93 144 132 110 171 73 16 205 55 172 94 143 133 109 172 71 17 204 56 171 95 142 134 108 173 70 18 202 57 170 96 141 135 108 174 69 19 201 58 170 97 141 136 107 175 67 20 200 59 169 98 140 137 106 176 66 21 198 60 169 99 139 138 105 177 64 22 197 61 168 100 138 139 104 178 63 23 196 62 167 101 137 140 103 179 61 24 195 63 167 102 136 141 102 180 60 25 194 64 166 103 135 142 102 181 58 26 193 65 165 104 135 143 101 182 56 27 192 66 165 105 134 144 100 183 54 28 191 67 164 106 133 145 99 184 52 29 190 68 163 107 132 146 98 185 51 30 189 69 163 108 131 147 97 186 49 31 188 70 162 109 130 148 96 187 47 32 187 71 161 110 129 149 95 188 45 33 186 72 161 111 128 150 95 189 42 34 185 73 160 112 127 151 94 190 40 35 185 74 159 113 127 152 93 36 184 75 158 114 126 153 92 37 183 76 158 115 125 154 91 38 182 77 157 116 124 155 90 Tabla 5. .2: Valores enteros calculados del controlador PID y su correspondiente α. dicha ecuación se describirá en apartados posteriores. donde está la linealización de la respuesta vista en la gráfica 5. pero al ver la capacidad que posee el rectificador se decidió llevar la fuente a un máximo de 180Vdc manteniendo el mismo rango de corriente. porque éste es el estado en el que mayor tiempo van a estar. para luego poder hallar el controlador a utilizar.63 Entonces se estableció una analogía directa entre el valor o número que suministrará el controlador PID discreto y el voltaje en el rectificador. mientras R1 y R2 representan a las resistencias internas del inductor y condensador respectivamente. Fig. es decir su resistencia es variable con respecto a la temperatura.16: Circuito del filtro LC del rectificador. la tabla 5. constituyen una carga de bajo costo y alta potencia. que manipulará el voltaje rectificado. esto es con el propósito de obtener una diferencia de 10 voltios. . su resistencia se incrementa a medida que el filamento se calienta.2 Modelo Matemático del Filtro LC y Entonación Teórica del PID La elaboración e implementación de un controlador PID discreto en el PIC de la tarjeta de control.3. éstas características los hacen altamente atractivos para éste caso. por último tenemos que R3 representa la carga usada en las pruebas anteriores de rectificación. Se decidió omitir dicha desventaja y trabajar con la resistencia que reflejan los bombillos una vez que están suficientemente calientes. exigía la elaboración de un modelo matemático del sistema a controlar.16 muestra el circuito que representa al filtro del rectificador donde Vrect in simboliza el voltaje en el rectificador y Vrect out figura al voltaje en la salida del filtro LC. Cabe destacar que los bombillos de alógeno utilizados para las pruebas. La figura 5. sólo con el fin de que el controlador PID posea un margen de esparcimiento y pueda enfrentar posibles respuestas con sobrepico.2 muestra todos los posibles números enteros entre [0-190] que representa los valores del voltaje en el rectificador y su correspondiente valor del ángulo de disparo α. pero. 5. 5. entre el voltaje de salida (regulado) y el voltaje en el rectificador. Nótese que el voltaje en el rectificador tiene un máximo de 190 voltios. además de figurar una carga completamente resistiva. tienen una cualidad indeseable. 1 queda R2 + R3 Vrect_ out(s) = 2 Vrect_ in(s) S (LCR2 R3 ) + S[L(R3 + R2 ) + R1CR2 R3 ] + R1 (R3 + R2 ) + R2 + R3 (5. para que de una manera empírica pero utilizando el software se modificaran los polos y ceros del sistema.2 como la planta o sistema a controlar y la ecuación 5. Esto con la finalidad de encontrar las constantes óptimas Kp. De entrada el sistema resultó ser marginalmente estable y con una indeseada respuesta al escalón. los valores de las constantes Kp.18 puede verse el diagrama de polos y ceros del sistema realimentado ya con el controlador incluido.3.16 se procedió a la elaboración del modelo matemático del filtro LC en el dominio de Laplace quedando que R2 R3 SCR2 R3 +R3 + R2 Vrect_ out(s) = R2 R3 Vrect_ in(s) LS + R1 + SCR2 R3 + R3 + R2 (5. Ki y Kd se colocaron en un principio de manera arbitraria.3) Fig.17 se muestra el proceso simulado es fácil darse cuenta que el mismo cuenta con realimentación unitaria.17: Proceso simulado para encontrar las constantes del controlador PID. la figura .2) La estructura de un controlador PID en el domino de Laplace se muestra en la ecuación 5. Ki y Kd del controlador. ahora con la ayuda del software MATLAB se creó un lazo de control utilizando la ecuación 5. 5. la figura 5.3 como el controlador. En la figura 5.64 A partir de la figura 5.1) Simplificando y arreglando términos de 5. PID(s) = SKp + Ki + Kd S 2 S (5. diagrama de fase. El diagrama de bode. Kp=0. se hallaron unos valores de dichas constantes bastantes aceptables. 5.18: Detalle del diagrama de polos y cero del sistema.65 5. aunque no es muy rápida no presenta sobrepico ni error en estado estacionario. margen de magnitud y respuesta al escalón se muestran en la figura 2. Luego de varias pruebas modificando las constantes del controlador PID. Ki=2 y Kd=0. . puede observarse la mejora en la respuesta al escalón.05. diagrama de magnitud y respuesta al escalón para el compensador preliminar.18 también muestra dicha respuesta al escalón donde es obvio darse cuenta que no es la mejor que pudiese obtenerse. Fig. margen de fase.19.0004. diagrama de fase. Vale la pena destacar que el sistema sigue siendo marginalmente estable. en una primera instancia éste ángulo era directamente . diagrama de magnitud y respuesta al escalón para el compensador ya entonado. 5. Fig. mientras el margen de fase cambió muy poco.66 el margen de ganancia sigue siendo infinito. el algoritmo que genera el ángulo de disparo se aloja en el PIC de la tarjeta de control.3.3 Implementación del Controlador PID Discreto Como ya es conocido.18: Detalle del diagrama de polos y cero del sistema. 5. error_t+=error_act. if (PID_Flag) //Cálculo del PID { write_CPLD (AlfaLoad.67 controlado desde el panel frontal y a través del bus de comunicación que existe entre las tarjetas de control y visualizadora viajaba el set de alfa hasta la tarjeta de control. éste error es introducido en una fórmula que arrojará el valor del PID en sí (véase subrayado en el código) luego éste valor de PID sufre un par de verificaciones de rango y sirve como índice para encontrar el valor del ángulo de disparo alpha correspondiente. if(pid>PIDmax) //calcula el pid //si el pid es >Vmax lo limita a alpha_max pid=PIDmax.1. //carga el último valor del alfa1 error_act=(vrec_set-vrec_pid)/Vmax. salvo algunas declaraciones y definiciones aquí radica todo el controlador. error_ant=error_act. El código que contenía el PIC al momento de la adjudicación del sistema está expuesto en el apéndice 9.3. if(pid<0.2. y la relación entre ángulo de disparo α con el valor del PID está descrita en la tabla 5. Ahora lo que se quiere es. alfa1=alpha[(int)pid]. ésta comunicación permitía en primeras instancias enviar a la computadora el valor del voltaje en el rectificador. obviamente éste código necesitaba de algunas modificaciones para el desarrollo del PID discreto. //calcula el error actual y lo normaliza //acumula el error pid=error_act*kp+error_t*ki+(error_act-error_ant)*kd. Por supuesto dicha tabla también forma parte de las modificaciones del código fuente. A continuación se muestra un segmento del código implementado para la realización del PID discreto. .00) //si el pid <0 lo limita a 0 pid=0. lo primero que se implementó fue la comunicación serial con la PC. //se asigna a alfa el valor correspondiente segun la tabla en . Ahora bien en el apartado 5. colocar en el panel frontal un set de voltaje. alfa1).00.1 se vio que el valor del PID guarda una analogía directa con el voltaje en el rectificador. que esta consigna sea interpretada por el PIC en la tarjeta de control y contando con la ayuda del PID que se implementará.h //acumula el error actual como el error anterior para el próximo ciclo }//fin del PID Básicamente. el rectificador sea capaz de generar el voltaje ordenado. Gracias a los medidores de tensión continua con que cuenta la tarjeta de control. el controlador toma el valor de la consigna de voltaje impuesta desde el panel frontal. lo compara con el valor actual del voltaje en el rectificador y genera un error. De tal manera que. Como consecuencia directa de lo antes citado se volvieron a realizar los cálculos del modelo matemático del filtro LC. se fueron cambiando las constantes del PID tantas veces como fue necesario y la par se probaba el desempeño del rectificador. Se le puede atribuir la incapacidad de sintonizar el controlador PID de una manera teórica. Sólo falta una interfaz gráfica que permita registrar y mostrar los datos del comportamiento del rectificador. el código fuente ya modificado. así hasta conseguir los valores adecuados de Kp. al desconocimiento de la dinámica en el dominio de Laplace. en éste caso representada por los bombillos de alógeno. el modelo matemático del filtro no contempla la resistencia variable de la carga. es importante destacar que las primeras pruebas que contaban con las constantes Kp. ambos propuestos por Ziegler & Nichols. y a que. los resultados obtenidos fueron igual de espeluznantes. Ki y Kd originales obtenidas en el apartado 5. en frío. los valores de las constantes del compensador y la comunicación serial. los resultados seguían siendo desalentadores. Ahora con éste modelo se volvió a entonar el controlador de forma teórica y se procedió a probar el rectificador. la técnica de la ganancia última y la técnica de la curva de reacción. del banco de tiristores del rectificador. la relación entre α y el voltaje rectificado.3. Se manejaron dos métodos de entonación empíricos. Es muy bien conocido que existen sistemas de control los cuales no pueden entonarse de manera teórica. pero con un valor de resistencia de carga distinto. después de muchos intentos de entonación y algunas pruebas al rectificador. A continuación se muestran una serie de gráficas donde puede verse el desempeño del rectificador una vez puesto en funcionamiento el controlador PID y siendo éste. Entonces se decidió realizar la entonación del controlador PID de manera totalmente empírica. el voltaje en el rectificador presentaba oscilaciones sostenidas con picos de tensión que podían ir de mínimo a máximo voltaje en cortos periodos de tiempo. Dicha interfaz es bastante sencilla y no es relevante exponer el código realizado. debido a esto se opto por tratar de entonar al controlador utilizando métodos prácticos. la correspondencia entre el valor del PID y el ángulo de disparo. el mismo era correspondiente a la resistencia del filamento de los bombillos de alógeno pero.68 Hasta el momento se cuenta con todas las herramientas necesarias para probar el funcionamiento del PID implementado.2 despidieron resultados temibles. que es un método totalmente válido y usado en la industria. . entonado por ensayo y error. Ki y Kd. 69 Fig. 5.19: Respuesta del rectificador ante varias consignas de voltaje (valores medidos a través de la tarjeta de control). Fig. 5.20: Detalle del sobrepico en la respuesta del controlador (valores medidos a través de la tarjeta de control). 70 Fig. 5.21: Referencia de la oscilación y el transitorio antes de recuperarse la señal (valores medidos a través de la tarjeta de control). Luego de varias pruebas al rectificador y cambios de constantes del controlador, se llegó a un conjunto de valores bastante aceptables. En la figura 5.19 se puede observar un ensayo al rectificador, del cuál se puede comentar que, la respuesta del sistema frente al escalón posee sobrepico y ante un set alto de voltaje (alrededor de los 160 voltios) goza de oscilación sostenida. Los valores de éstas constantes no son relevantes, así que no se expondrán por ahora, porque como se verá en apartados posteriores a éste, al conectar la etapa de regulación lineal, el controlador PID discreto debió ser sintonizado nuevamente. La gráfica 5.20 muestra el detalle de la respuesta con sobrepico, próximo a los 35 voltios y con un tiempo de establecimiento de más o menos 500 milisegundos, dicho tiempo de establecimiento es bastante bueno mientras que el valor del sobrepico es inaceptable. De igual manera en la figura 5.21 se puede observar el transitorio de la señal al momento de bajar el set de voltaje, también del orden de decenas de voltios, mientras que el tiempo de establecimiento se mantiene cercano a los 500 milisegundos. Es importante destacar que las figuras 5.19 hasta la 5.24 son mostradas por medio de la interfaz gráfica implementada en LabVIEW. 71 Fig. 5.22: Ensayo final del rectificador controlado por el PID discreto (valores medidos a través de la tarjeta de control). Fig. 5.23: Detalle de la respuesta frente al escalón, del ensayo final en el rectificador (valores medidos a través de la tarjeta de control). de igual manera alcanzó a disminuirse el tiempo de establecimiento para una disminución del set de voltaje. como es bien sabido todo rectificador posee rizado.24: Referencia de la respuesta del rectificador.22. existe una diferencia entre el set de . Las figuras 5. puede verse que para un ensayo con varias consignas de voltaje el rectificador se comporta a cabalidad. en éste caso no se pudo mejorar más el tiempo.23 y 5. 5. el mismo no presenta sobrepicos ni transitorios como en las prueba anteriores. éstos corresponden al rizado del voltaje. ante disminuciones bruscas del set de voltaje (valores medidos a través de la tarjeta de control). debido a que depende directamente del tiempo de descarga del banco de condensadores y como se vio en apartados anteriores el mismo es bastante grande. En las partes planas de la señal rectificada se alcanza a ver unos pequeños picos. Otro detalle que vale la pena destacar y que no puede apreciarse en ninguna gráfica es que. frente a un escalón de máximo rango (es decir de 0 a 180 voltios). aproximadamente a 350 milisegundos.72 Fig. en este caso ronda entre ±2 voltios. 5. que para éste momento se había cambiado a 180 voltios. Ki y Kd finales que se encontraron. También puede verse que logró disminuirse el tiempo de establecimiento a menos de 200 milisegundos.24 muestran el desempeño del rectificador con las constantes Kp. incluso al máximo valor del rectificador. 1 Modificación en el Código Fuente del PIC Poner en marcha el regulador lineal de la fuente. Después de haber expuesto los 3 apartados anteriores. fue necesario modificar nuevamente el programa en el PIC de la tarjeta de control. entre otras cosas. 5. ampliar la interfaz gráfica diseñada en LabVIEW y modificar el circuito impreso de la tarjeta de control.1. así como observar y analizar los resultados obtenidos quedó validado la implementación y funcionamiento del controlador PID discreto. razón por la cuál el código está expuesto en su totalidad en el apéndice 9. 5.4. y a continuación sólo se explicará a detalle cada una de las reformas del mencionado código. Ahora lo que se quiere es que el voltaje en el rectificador siga al voltaje en el regulador. La figura 5. sólo resta la puesta en marcha del regulador lineal para certificar el funcionamiento de la fuente DC.4. 5. Para la puesta en marcha del regulador lineal. por los momentos esto no es relevante y se verá corregido en apartados posteriores. y así de alguna manera manipular la disipación de potencia del elemento regulador. Las modificaciones realizadas en el programa del PIC representan aproximadamente 350 líneas de código. Regulación Lineal Una vez validado el funcionamiento del rectificador trifásico controlado por el compensador PID. la misma será descrita más adelante.73 voltaje asignado desde el panel frontal y el valor que logra el rectificador. obviamente el código del PIC debía cambiar para lograr esto.25 muestra un esquema de la idea que se quiere exponer. ameritaba supervisar desde la PC varios parámetros que más adelante permitirían vigilar el desempeño de la fuente como tal. pero que guardan una estrecha relación entre sí. para que la diferencia de voltaje entre los extremos del regulador sea constante. .2. la disipación de potencia se hace prohibitiva y debe estar muy bien controlada. Gracias a la cantidad de corriente que deberá soportar el elemento de paso.4.1 Modificación de La consigna del PID discreto Anteriormente se aclaro que el PID discreto estaba diseñado para seguir un set de voltaje o consigna impuesta directamente desde el panel frontal de la fuente. Vale la pena destacar que la rectificación y la regulación son 2 procesos controlados independientemente. entonces podemos definir la potencia del elemento regulador como. Se comenzó asumiendo que la corriente del condensador C. entonces se fijó como diferencia entre los extremos del regulador un valor de 5 voltios. esto con el fin de que. . gracias a esto el voltaje en el regulador puede aumentar un máximo de 5 voltios o disminuir todo lo que permita su estado en algún instante de tiempo.74 Fig. 5. la corriente Iout por la diferencia de voltaje entre los extremos del regulador. El formato de una de las tramas que se envía a la PC se muestra en la figura 5. ahora el código del PID discreto posee una consigna fija. para éste instante era imperativo aumentar la cantidad de datos a enviar. De tal modo que. y el valor del voltaje rectificado se ajusta al valor que sea necesario para hacer esto posible. Para el caso específico de ésta fuente la mayor corriente que atravesará al elemento regulador será 100 amperios. el dispositivo regulador disipe una potencia máxima de 500 vatios. 5.26: Formato de una de las tramas de envío de datos a la PC. por lo que fue necesario mejorar dicha comunicación serial.1.2 Mejoramiento de la Comunicación Serial En aparatados anteriores se explicó ligeramente que el programa en el PIC de la tarjeta de control. y el controlador PID se encargará de tener al voltaje en el rectificador siempre 5 voltios por encima de éste. 5. Recuérdese que el control del regulador y rectificador son independientes. Fig.26. siguiendo siempre al voltaje de salida. fue modificado para permitirle a éste comunicarse de manera serial con una PC.4.25: Esquema básico de la regulación propuesta. que sirve como filtro de salida es despreciable con respecto a la corriente de la carga. C+T+los datos sin incluir al CHK.26. porque como se vio en las anteriores pruebas al rectificador. Fig. ki y Kd del . además de recibir las constantes Kp. La descripción de los renglones es la misma que la trama antes expuesta en este caso cambia la cantidad de datos y por supuesto el tipo. el controlador PID pierda la sintonía. Temp. De igual manera que se optimizó el envío serial a la PC. es usada para enviar a la PC el estado general de la fuente cuenta con 19 bytes de información dispuestos de una manera específica. se mejoró también la recepción. Otra trama de envío implementada en el PIC es la citada en la figura 5. corresponde a la temperatura en el disipador donde va conectado el regulador. ™ CHK (Chksum): éste byte contiene la sumatoria de 8bits sin signo de todos los bytes anteriores.27. donde cada uno de los renglones se detalla a continuación ™ C (Cantidad): es un byte que contiene la cantidad de datos que se están enviando.26: Trama de envío de las constantes del controlador PID a la PC. Entonces no es descabellado tener una especie de historial de las constantes anteriores y así realizar un mejor seguimiento. los cuales son los datos que se están enviando a la PC. la misma se utiliza para enviar a la PC el estado de las constantes del controlador PID discreto. ™ T (Tipo): byte que indica el tipo de trama enviada.75 La trama expuesta en la figura 5. 5. El PIC ahora cuenta con la capacidad de recibir desde la PC el set de voltaje y corriente para la salida de la fuente. como hace referencia su nombre Vrect es el voltaje en el rectificador. las mismas debieron ser cambiadas en más de una oportunidad y es de esperarse que al conectar el regulador. Vout es igual al voltaje de salida o voltaje del regulador y Corrie pertenece a la corriente de la carga o de salida. es decir. ™ Punto Flotante: Aquí están contenidos 4 números en formato punto flotante de PIC (4 bytes cada uno). donde el usuario puede ir con plena libertad a cualquier estado de la misma. aunque ya la tarjeta de control. de modo que. el formato en computadora para un número punto flotante difiere en un par de bits.1. las mismas eran guardadas automáticamente en la EEPROM. al momento de apagar la fuente se perdía la memoria volátil del PIC y las constantes volvían a ser las inicialmente definidas en el código fuente. El problema que se enfrenta a la hora de recibir data de la PC reside en que. cada vez que llegaba al PIC la trama correspondiente a las constantes del controlador. con respecto al formato de PIC. Recordemos que el elemento regulador es un transistor de potencia IGBT. 5. operando en su zona lineal. una vez conectado el regulador lineal. lo que obviamente representaba un proceso engorroso. Las cualidades sumadas a la interfaz gráfica se enumeran a continuación: . Ki y Kd en la memoria no volátil del PIC llamada EEPROM.3.4. donde la disipación de potencia ejercida por éste dispositivo es determinante.76 controlador PID discreto. por supuesto ésta maquina de estado pretende estar en perfecta sincronía con el programa que se ejecuta a la par en el PIC. se le agregó al PIC la funcionalidad de almacenar las constantes Kp. gracias a lo antes mencionado dicha interfaz gráfica es bastante explícita. Dicha recepción presenta un pequeño contratiempo que se verá solucionado en el siguiente apartado. ahora con las mejoras efectuadas en la comunicación serial. 5. sus funcionalidades y el PIC estén bastante cargados. modificaba los bits correspondientes y construía el número punto flotante en formato PIC.3 Almacenamiento en la EEPROM del PIC Para las pruebas de rectificación efectuadas en el apartado 5. La interfaz esta basada en una máquina de estados. éstas constantes podían ser enviadas vía serial desde la PC y ser cambiadas en plena corrida del programa. fue necesario incorporarle varias cualidades al código gráfico elaborado en LabVIEW. para que al momento de apagar la fuente las mismas no se perdieran.2). Ahora se enfrentaba un nuevo problema. Para mitigar este inconveniente. para solventar esto se implemento una pequeña rutina que recibía los 4 bytes correspondientes al punto flotante de la PC.2 Ampliación de la Interfaz Gráfica Para la supervisión del desempeño de la fuente. de igual manera se podía tener acceso a cualquiera de ellas en todo momento para conocer su status (Véase código en Anexo 10.3 se programaba el PIC una y otra vez para cambiar las constantes del controlador.4. voltaje de salida. potencia de la fuente y potencia disipada por el elemento de paso. ™ Envío del set del voltaje y corriente a la salida de la fuente.29 muestran parte de la interfaz gráfica. así como una porción del código de la máquina de estados implementada.77 ™ Envío de las constantes Kp.28 y 5. nótese el detalle del menú con los distintos estados y lo amigable de la visualización de las gráficas. ™ Visualización de errores de comunicación. ™ Visualización del voltaje del rectificador. verificando el chksum incluido en la trama. Las figuras 5. ™ Almacenamiento en archivos independientes de la data corriente. . corriente de salida. ™ Visualización de las últimas constantes del controlador guardadas en la EEPROM del PIC. temperatura del disipador conectado al elemento regulador. Ki y Kd por separado del controlador.27. Fig.27: Detalle de una parte de la interfaz gráfica modificada. 5. 5. 28: Panel frontal de la interfaz gráfica mejorada. .78 Fig. 5. .29: Parte del código implementado. para la interfaz gráfica modificada. 5. Estado 5: recepción y visualización de los valores de la fuente.79 Fig. .80 Fig. 5. Estado 6: Recepción de constantes.30: Parte del código de la máquina de estados. la figura 5. se puso en marcha el regulador lineal.32 se muestra el circuito que se encarga de controlar al transistor de potencia.31: Prueba preliminar de regulación (valores medidos a través de la tarjeta de control). esto es debido a que la fuente posee la dualidad de ser fuente de corriente o fuente de voltaje. Ante la incertidumbre de los resultados las primeras pruebas consistieron en colocar un valor fijo en el rectificador igual a 50 voltios.31 muestra una de las primeras pruebas del voltaje de salida. 5.4. Fig. Entonces siempre se puede cambiar la dinámica del controlador modificando los componentes R3-C1 y R13-C18 para ajustar el lazo de control voltaje y el de control de corriente respectivamente.3 Pruebas Preliminares de Regulación Lineal Una vez modificado el código del PIC de la tarjeta de control y ampliada la interfaz gráfica. transitorio cuando disminuye el voltaje y un poco de oscilación. el mismo se encuentra embebido en la tarjeta de control. en la figura 5. .81 5. Como se mencionó anteriormente el control del regulador y del rectificador son independientes. y cambiar las consignas del regulador desde el panel frontal para observar su desempeño. Se puede ver que el circuito cuenta con dos reguladores lineales que actúan sobre el voltaje del Gate del transistor. se puede observar el sobre pico. 33: Respuesta del regulador.33 muestra la respuesta de la fuente en modo fuente de voltaje.32: Lazo dual de control para el transistor de potencia. el rizado es despreciable pero cerca a los 42 voltios existe ruido. luego de la entonación análoga preliminar (valores medidos a través de la tarjeta de control). 5. los sobrepicos mejoraron bastante. para modificar la respuesta del lazo de control se obtuvieron resultados alentadores. 5.82 Fig. Luego de varias pruebas cambiando los componentes antes mencionados. Fig. la figura 5. . 34 muestra las gráficas correspondientes a un ensayo preliminar del regulador lineal. es importante destacar que. el voltaje en el rectificador sigue al voltaje de salida según la diferencia fija impuesta. y ante subidas de voltaje el elemento regulador no posee sino 10 voltios por encima para aumentar. que estaba inicialmente pautada a 5 voltios se incremento a 10 voltios viendo el pequeño ruido que presento cercano a los 45 voltios. 5. La figura 5. es posible liberar al voltaje rectificado y observar como se comporta el sistema trabajando los dos voltajes a la par. Fig. esto se debe a que la respuesta del regulador es mucho más rápida y exacta que la del rectificador. pero en éste caso la diferencia entre los voltajes rectificado y de salida. que es el margen que le permite el rectificador. La figura anterior muestra un detalle importante. los sobrepicos y transitorio en el voltaje de salida se extinguieron por completo. Luego que el voltaje de salida alcanza al voltaje en .83 Visto los resultados anteriores.34: Detalle de un ensayo preliminar del regulador lineal (valores medidos a través de la tarjeta de control). el algoritmo implementado en el PID funciona a la perfección. es decir que se puede confiar en las mediciones que se efectuarán con dichos instrumentos. las mediciones de tensión y corriente que realiza la tarjeta de control de igual manera presentan un pequeño error con respecto a multímetros y amperímetros calibrados. el registro de todos éstos datos reposan en la tabla 5.84 el rectificador.3.1 Calibración de la Fuente Después de todas las pruebas efectuadas a la fuente. Para la calibración de la fuente el procedimiento fue el siguiente. Tantos los medidos por la fuente como los medidos por los instrumentos. pero el inconveniente que presenta la fuente con respecto al set de voltaje. Luego de esto se realizó un barrido de la fuente. voltaje a la salida y corriente de salida.3. debía ser solucionado antes de realizar dichas pruebas. instrumentos con los cuáles se realizarán las mediciones patrón de la fuente. para luego comparar estas con las que arroja la tarjeta de control de dicha fuente. primero era necesario contar con instrumentos de medición confiables. solo entregará una carta mostrando una tabla de mediciones realizadas con los instrumentos a ellos entregados.3. Una vez obtenidos todos los datos se procedió a realizar curvas de ajuste. Éste mismo problema. 5.4. el cuál se mencionó en apartados anteriores.005% y en el amperímetro de un 0. . donde al trazar la línea de tendencia se pueda observar el Offset y la compensación de la pendiente. en intervalos de 5 voltios y se registraron todos los valores correspondientes a voltaje en el rectificador. desde 0 hasta casi 180 voltios en la salida. ambos necesarios para acercar. al mismo ente se le fue entregado dos voltímetros y un amperímetro de gancho. dichas mediciones serán comparadas con un patrón trazado metrológicamente y serán muy parecidas a las que se ejecutarán en la fuente. para asegurar esto se contó con el apoyo de la unidad ENINSEL (Ensayo e Inspecciones Eléctricas) del Instituto de Ingeniería. Es importante destacar que ENINSEL no calibrará los instrumentos. además. suben casi juntos hasta que el regulador llegue a su consigna. La antes mencionada tabla refleja una variación en la medición de los voltímetros de un 0.05%. sólo restaba realizar las pruebas finales de la misma como un sistema completo y validar su funcionamiento. tanto las mediciones como las consignas de voltaje y corriente a los valores reales. la tabla puede verse en el apéndice 9. también se refleja en el set de corriente. mientras que el voltaje en el rectificador se posiciona 10 voltios por encima. 66 7.63 7.17 14.1 6.3 4.3 132 137.45 15.67 12.55 29.41 17.66 24.1 125.9 85. De igual manera se realizaron curvas para el set de corriente y para las mediciones de los voltajes rectificado y de salida.51 14.3 181.3 4.7 143.81 16.7 142.07 51.26 16.12 7.2 34.45 10.19 15.44 46.84 23.7 74.3 125.67 9.2 85. cuenta con un segmento del algoritmo que se encarga de realizar una calibración .37 98.8 136.8 119.03 23.5 51.94 6. las cuáles no están expuestas en éste documento.37 11.052 6.79 18.65 58.4 142.5 29.57 10.3: Tabla para la calibración de la fuente (valores medidos).53 12.6 91. al momento de hacer las conversiones análogo.6 159.76 7.55 0.4 114 119.6 1. para calcular los valores de voltaje y corriente vistos por la tarjeta de control.78 13.4 166.5 159.09 5.9 170.5 153.92 52.01 18.29 Tabla 5.02 97.4 5.2 18.7 160.51 13.63 75. El código que este implementado en el PIC.87 11.51 15.5 182.5 131.02 23.2 69.7 12.63 15.9 0.3 10.97 35.2 164.6 91.1 74.2 6.1 130.3 57.29 11.51 18.86 13.02 35.3 148 153.digital.3 136.5 171 176.33 81.05 12.01 85.1 171.4 97 102.02 51. porque es casi imposible la realización de una fuente DC de laboratorio.04 103.2 96.33 13.31 64 69.2 8.85 Set de Voltaje Vout Fuente Vrect Fuente Iout Fuente Vout Volti Vrect Volti Iout Ampe 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 0.85 11.31 16.85 16.7 108.4 80.39 12.92 5.41 63.77 14. lamentablemente esto no se estila.87 19.9 170.9 102.3 0.67 8.89 12.7 175.08 15.32 46.3 109 114.7 0.21 4.2 63 68.97 80.2 148 153.68 102.42 12.84 14.1 40.7 91.4 131 136.4 108. pero para un trabajo de ésta índole fue imprescindible la realización de dicha calibración.2 165.4 74.35 18.01 86.74 57.69 92.98 8.5 176.2 148.05 17.13 5.6 126. A continuación se mostrarán las curvas correspondientes a la calibración del set de voltaje y la curva para la calibración de la medición de corriente.3 159.57 0 1.6 142.02 10.18 17.4 149 154.78 40.53 6.57 9. Es importante resaltar la relevancia de éste apartado.93 3.2 120.2 79.9 1.21 14.35 13.27 7.45 46.7 109.66 29.8 40.4 6.8 57.12 34.1 63.07 46.19 9.08 68.76 10.67 17.2 113.6 41. que no cuente con ninguna calibración o comparación con algún patrón internacional.3 164.9 12.6 125.13 9.14 18.4 115 120.13 13.87 15.8 177.32 29. Recta de calibración de la medición corriente 25 y = 1. el caso fue distinto porque el código no contaba con un lugar para colocar los parámetros de calibración. pero la implementación de dichos parámetros al algoritmo fue realmente fácil y de excelentes resultados.86 preliminar de la medición. .999785 160 Vout Fuente 140 Serie1 Lineal (Serie1) 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 Set de Voltaje Fig.36: Calibración del set en el voltaje de salida. ahora en cuanto al set de voltaje y corriente impuesto desde el panel de control.35: Calibración de la medición de la corriente de salida.9998 Serie1 20 Iout amperimetro Lineal (Serie1) 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Iout Fuente Fig. 5. Contando con esto.887841x + 3. simplemente se tomaron los nuevos valores y se hicieron las correcciones pertinentes al caso.767791 2 R = 0. Recta de calibración del set de voltaje 180 y = 0.2758 R2 = 0.1539x + 0. 5. Fig.87 5. se procedió a realizar las prueba finales a la fuente DC. aunque la potencia disipada por la carga ronda los seis mil vatios la potencia disipada por . En la figura 5.4.38: Prueba final de la fuente. además de verificar la capacidad de la fuente para entregar toda la potencia ofrecida al inicio de éste tomo. con picos de potencia en el elemento de paso. sólo que en mayor número. trabajando en modo fuente de voltaje.38 puede verse un ensayo de la fuente DC. vale la pena acotar que como carga a la fuente se siguen usando bombillos de alógenos. desempeño de la misma como fuente de voltaje y como fuente de corriente y pruebas de regulación de carga. Puede observarse también el seguimiento en todo momento del voltaje rectificado al voltaje de salida. esto es debido a que los bombillos son muchos y están conectados en paralelo y la resistencia que reflejan en frío es casi un corto circuito. Nótese lo alto del primer pico de corriente el mismo corresponde al primer escalón de voltaje. los ensayos son básicamente. 5. ya en éste caso de vuelta a 5 voltios de diferencia.4 Pruebas Finales de la Fuente Finalmente y después de todo lo antes visto. aún cuando en ese instante no existan subidas abruptas ni de corriente ni de voltaje. pero antes de obtener éstas gráficas. en un descuido al cambiar las constantes del compensador PID discreto. menos costosos. La procura para la obtención de uno nuevo fue inmediata. . pero esto no garantizaba su pronta adquisición. Al ver la figura anterior. 5. son los picos de potencia que sufre el elemento de paso. Lamentablemente al momento del percance no se contaba con otro transistor igual y ante el temor de que se volviera a dañar el próximo en espera. Porque aunque los lazos de control son independientes. de alguna manera interactuaban entre sí. se decidió realizar las restantes pruebas con transistores más pequeños y porque no. al mismo tiempo que se sintonizaba el control PI análogo mostrado en la figura 5.32. Otro detalle curioso de la figura antes expuesta. Fig.88 el elemento de paso esta alrededor de 200 vatios. puede parecer que todo marchó a la perfección. Estas indeseadas entonaciones trajo como consecuencia la avería del transistor de potencia IGBT. fue necesario volver a sintonizar el controlador PID discreto muchas veces.39: Detalle del pico de potencia en el elemento de paso. cuando se le ordena al regulador disminuir su voltaje éste lo hace rápidamente mientras que el voltaje en el rectificador se queda colgado por un tiempo antes de seguirlo.39 se puede observar gracias al cambio de las escalas en las gráficas. 5. Si se observa minuciosamente la gráfica se aprecia que se ha generado una mayor diferencia de potencial entre los extremos del regulador justo en el momento que se queda colgado el rectificador. pero a mayores niveles de voltaje y corriente. .89 En la figura 5. Fig. entonces esta diferencia mayor a 5 voltios en los extremos del elemento de paso. Luego de manera natural y velozmente el pico de potencia se aminora. como se dijo anteriormente la respuesta del regulador es mucho más rápida que la respuesta del rectificador. genera el pico de potencia. estos picos pueden sostenerse unos cuantos milisegundos suficientes para dañar al transistor o elemento de paso. multiplicada por la corriente de salida en ese preciso instante de tiempo. uno de los picos de potencia del elemento de paso un poco más detallado y el porque se genera. así que.40: Prueba de la fuente en modo: fuente de corriente. como era de esperarse. pero frente a un corto circuito o un evento fortuito externo la fuente esta totalmente desprotegida.4. Para solventar éste problema se idealizó y diseño preliminarmente un circuito controlador de potencia. Ahora bien. después de esto. a grandes rasgos se puede decir que la regulación de carga es la capacidad que tiene la fuente de mantener su salida estable. Los ensayos preliminares arrojaron resultados terribles. se decidió entonces cambiar el condensador de salida por uno un poco más grande y por supuesto se tuvo que entonar nuevamente el controlador PI análogo del regulador. mientras que el voltaje a la salida y en el rectificador están donde sea necesario que estén. Pero ocurre lo contrario en los voltajes rectificado y de salida. pero quedaría parcialmente expuesta al error humano. 5.4. pero este buen funcionamiento del modo fuente de corriente.41. frente a este problema una solución puede ser. es fácil darse cuenta que cada vez que se conecta la carga aparecen los picos en la corriente de salida. el cuál apagará casi de manera inmediata al transistor regulador. realizar una serie de cálculos y tomar las decisiones pertinentes al caso (como por ejemplo bajar el voltaje poco a poco hasta la consigna impuesta).2. La idea antes mencionada funcionaría perfectamente para errores de tipo humano. es la regulación de carga. antes de pasar la consigna de voltaje al regulador. el detalle del circuito protector de potencia puede verse más adelante en las recomendaciones 7. que por supuesto genera igual picos en la potencia del elemento de paso y la potencia de salida. se elaboró con un par de contactores y un par de conmutadores una especie de switch de potencia. los resultados mejoraron un poco y están plasmados en la figura 5. el cuál acoplaba y desacoplaba a la salida de la fuente una carga con requerimientos responsables de corriente.1 Regulación de Carga Un parámetro de calidad altamente conocido en las fuentes reguladas.90 El funcionamiento de la fuente en modo. Para la ejecución de las antes mencionadas pruebas. no exonera al transistor de los picos de potencia a los que puede quedar expuesto. tener cuidado al momento de manipular la fuente y simplemente no someterla a bajones bruscos de tensión. todo esto. fuente de corriente es perfecto en la gráfica 5. El inconveniente radica en que .40 se observa como mantiene la consigna de corriente fija. una idea más clara de esto puede verse en las recomendaciones 7. ante peticiones repentinas de corriente y por supuesto ésta fuente no escapa de dichas pruebas. Otra solución sería capturar el set de voltaje impuesto por el usuario. cuando el mismo se encuentre ante sobrepicos de potencia.1. Entonces luego de muchas pruebas e infructíferas sintonizaciones de ambos controladores. a medida que el voltaje del rectificador es más alto la regulación de carga es mejor. Pero queda . al parecer el rectificador no tiene la suficiente energía acumulada para responder ante escalones de carga repentinos o está mal sintonizado el controlador PID discreto. con los voltajes altos en el rectificador el banco de condensadores del filtro LC se encuentra bien cargado. El voltaje a la salida del regulador cae. algo totalmente lógico debido a que la carga en un condensador es proporcional con el cuadrado de su voltaje.91 ambos caen decenas de voltios representado más o menos un 20% del valor del voltaje total a la salida. entonces se realizaron pruebas a valores altos de voltajes y se compararon con los resultados preliminares. el regulador ni se entera que le fue conectada carga a la fuente. 5. y está preparado para responder ante peticiones de altos niveles de corriente en este caso. porque esta siguiendo al voltaje en el rectificador.41: Ensayo preliminar de regulación de carga. porque toda la corriente la suministra el banco de condensadores. se comenzó a observar el patrón antes citado. Fig. lo cuál es totalmente inaceptable. Además componentes como éstos lamentablemente hay que importarlos y tampoco se dispone del tiempo para ello. . para poder aumentar de éste modo el voltaje en el rectificador y el banco de condensadores este mejor cargado. dependiendo de los voltajes y las corrientes presentes en un instante de tiempo.42: Detalle de la regulación de línea para voltajes altos del rectificador. asimismo constituye una solución sumamente costosa. que se debe hacer con los voltajes bajos a la salida y la regulación de carga. pero como se vio en capítulos anteriores el chasis está hecho a la medida. Gracias a todo esto se ideo una solución vía software. 5. Un análisis más detallado de ésta solución puede verse en las recomendaciones 7. se ejecutan una serie de cálculos matemáticos en el PIC y manteniendo un nivel aceptable de disipación de potencia en el elemento regulador. y condensadores más grandes implicaría más espacio del cuál no se dispone en el mismo.3. Fig. Para solucionar éste problema de entrada lo más lógico sería cambiar el banco de condensadores.92 aún un problema. se ajusta la diferencia de voltaje. la misma consistía en que. hasta ahora constante en los extremos del transistor. 43: Prueba de la fuente DC entregando 12.2 Máxima Potencia Entregada Por último apartado de éste tomo se tiene las pruebas de la fuente. . Fig. y aunque no se logró la potencia prometida al inicio del libro no queda duda que con los dispositivos adecuados se superarán las expectativas.5 kW. 5. a lo que se intentó fuera máxima potencia pero. gracias a problemas por falta en el inventario de componentes dichas pruebas no se pudieron continuar.4. Sin embargo los resultados obtenidos fueron muy buenos.4.93 5. 5. .4 kW.94 Fig.44: Prueba de la fuente DC entregando 13. 3. debido a que los picos de potencia que pudiesen existir en el dispositivo son manejables por el mismo. 4. hay que tomar en cuenta que el transistor utilizado en las pruebas era 4 veces más pequeño. En aplicaciones de bajo voltaje y baja corriente.95 6. Incluso ante un corto circuito. Por lo robusto y fácil de su implementación. la regulación lineal con transistores IGBT de potencia es perfecta. La teoría propuesta en esta tesis. es indispensable en cada uno de los equipos de laboratorio. casi se lograron los objetivos propuestos. En aplicaciones industriales el rectificador trifásico completamente controlado. . a costa de una disipación de casi un 3% de la potencia total en el elemento de paso. Conclusiones 1. con el transistor inicial los objetivos se hubiesen superado. Contando con la ayuda de patrones de medición internacionales. 2. Lo que no deja duda al pensar que. Permitiendo así a la fuente entregar grandes cantidades de potencia. 5. que los mismos cuenten con una calibración seria. representa una buena opción para voltajes DC de alta potencia. más aún cuando los equipos son de fabricación nacional. de utilizar el seguimiento del voltaje rectificado al voltaje de salida quedó demostrada. Aunque la fuente DC presentó problemas en cuanto a la regulación. A priori puede pensarse en tomar el valor actual del voltaje en el rectificador y tomar el valor del set de voltaje a salida. porque el fenómeno de grandes diferencias de voltaje ocurre cuando el voltaje en el regulador baja mucho y el rectificador tarda en seguirlo. en éste caso el transistor de potencia IGBT. Al contrario si el número hallado rebasa el máximo de potencia preestablecido.96 7. Así se tendrá una idea de la posible disipación de potencia del elemento de paso. porque hay que detallar en cuanto se afecta la regulación de la fuente. consiste básicamente en un multiplicador y comparador analógico de señales. Recomendaciones 7. chequeando constantemente la derivada de la corriente de salida. se abre el circuito de control para apagar parcialmente el transistor. Control de Potencia El control de potencia propuesto en el apartado 5. habrá que realizar el cambio en el regulador de una manera suave. luego de la comparación arroja una salida la cuál depende si la . Si dicha corriente tiene una pendiente de salida muy alta. restarlos y multiplicar el resultado por la corriente de salida. las grandes diferencias de voltaje que se producen en los extremos del mismo. es decir en pequeños escalones hasta llegar a la consigna. Otra manera de solucionar el problema se consigue. que pasará con las consignas que son por encima del valor del voltaje en el rectificador.1. el cual toma dos mediciones las multiplica analógicamente y las compara con un set predeterminado. Se puede implementar en el algoritmo que posee el PIC de control. y si el valor obtenido es menor. una rutina que capture la consigna del voltaje de salida y antes de que viaje a los pines de control del IGBT. Captura de la Consigna de Voltaje Para mitigar el efecto que produce en el elemento regulador. para así de alguna manera conocer que tan rápido sube la misma. realizar algunos cálculos para evitar posibles daños del transistor. cuando ocurren cambios bruscos de voltaje por consignas erradas o descuido del usuario. Esto también es objeto de pruebas experimentales. lo más sensato puede ser desactivar el algoritmo diseñado para subidas de voltaje en el regulador. Aquí no queda muy claro y es objeto de pruebas experimentales.4. comparar éste valor de potencia con un valor ya preestablecido como la máxima disipación de potencia permitida.4 se muestra en la figura 7.1. 7.2. no se realiza ninguna acción. manteniendo como referencia 500 vatios de disipación máxima en el elemento regulador. que contenía los valores correspondientes a corriente y diferencia de voltaje dinámica.32 y de esta manera apagar al transistor. El código tiene la capacidad . Una vez más este protector de potencia debe ser probado experimentalmente. 7. Diferencia de Voltaje entre los Extremos del Regulador. era necesaria más carga en banco de condensadores o más capacitancia.97 comparación fue mayor o menor que el set. Ésta salida es la que se utilizará para abrir el lazo de control del IGBT de potencia.1: Control de potencia para proteger al elemento regulador. Fig. el cuál calculaba cuanto podía subir el voltaje en el rectificador sin dañar el transistor. 7. los niveles de potencia van disminuyendo y el comparador se encarga de prender nuevamente al transistor.3. a medida que el voltaje en el rectificador se vaya recuperando. mostrado en la figura 5. Dinámica Para mitigar un poco el problema que se presento en la regulación de carga. donde se llegó a la conclusión de que. aunque en simulaciones se vea muy bien se tiene que estudiar el efecto que causa en la regulación de la fuente. Se implemento en el PIC de la tarjeta de control un pequeño algoritmo. Para lograr esto se creo una tabla en el PIC de control. 2 muestra una de las pruebas preliminares de la diferencia de voltaje dinámica. El algoritmo fue implementado y probado experimentalmente. . Debido a lo antes dicho. sí es así toma el rectificador sube a su máximo valor posible. pero en medio de éstas pruebas el transistor para aquel momento utilizado. es que éstas pruebas reposan en las recomendaciones y no en los resultados experimentales. 7. Fig. el voltaje en el rectificador se ve sobrepasado en su máximo valor. porque están incompletas.2: Diferencia de voltaje dinámica. se averió y no se pudo reemplazar. La figura 7.98 de verificar si con la diferencia de voltaje impuesta por la tabla. Venezuela. Analógica y Digital. Tercera Edición”.uts. “Como Programar en C/C++. Ogata Katsuhiko. “Electrónica de Potencia. Navarro. Transistores de Potencia. Oxford University Press. Primera Edición”. Tercera Edición”. H. Alfaomega Ra-Ma. 20Julio2008. Caracas.com/ . Diseño Práctico de Aplicaciones. Argentina. Lucas.uv. Soluciones de Control S. Palacios. México. Segunda Edición”. Segunda Edición: PIC 16F87X”.eng. México. 1995. México. Enrique. 2004.es/chyryes/circuitos/pid. Julio. Jose.digikey. “Adquisición de Datos. “Ingeniería de Control Moderna. http://perso. [2]. “DESARROLLO DE UN HORNO DE INDUCCIÓN CON CONTROL DE POTENCIA USANDO TÉCNICAS DE MODULACIÓN SOBRE UNA CARGA RESONANTE”. México. 2004. [3]. Adel.R.es/marinjl/electro/transistores.htm [13]. Remiro. 1998. Segunda Edición”. [4]. Medir para Conocer y Controlar.L. “Microcontroladores PIC.99 8. [8]. Kenneth. Walter. [6]. Carlos. Susana. Rashid.htm [11]. Tesis Doctoral. Smith. 10Marzo2008. Deitel. http://services. López. P. http://www.html. Universidad Simón Bolívar. Mc Graw Hill. S. Mc Graw Hill. “Microcontrolador PIC16F874. Primera Edición”. México. [5]. [9]. PEARSON EDUCACIÓN. 2006. México.au/~venkat/pe_html/ch05s1/ch05s1p1. 1999. Controlador PID Digital. “Ingeniería de Control. “Circuitos Microelectrónicos. [12]. 2006. dispositivos y aplicaciones. Cuarta Edición”.edu. PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA. [10]. Circuitos.A. Muhammad. 2000. PEARSON EDUCACIÓN. Chicala. Deitel. Bibliografía [1]. Angulo Ignacio. 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SDA=PIN_C4.BROWNOUT #use delay(clock=CLK_freq) #use I2C(SLAVE. 0). 0).NOPROTECT. // Colocar el puerto A como digital set_tris_A(0xFF).Data[i]/AnaACQ. // Restaurar a cero el promedio } AnaACQ. enable_interrupts(INT_EXT). // Colocar Write en 0 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Programación y habilitación de Interrupciones // // // //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ext_int_edge (L_TO_H). rcv=PIN_C7) int alfa.NOWDT. SCL=PIN_C3.mean++.1. alfa). TR_INT=TRUE. setup_adc_ports (NO_ANALOGS). 0). for (i=0. // Ángulo de Disparo short TR_INT=FALSE. habilitar interrupcione setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_1).// Obtener el valor promedio de la medición de los ADC AnaACQ. // Restaurar a cero el contador de promediado write_DAC(V_DAC. struct port_b_layout port_B. struct AnaIN AnaACQ.NOLVP. i++) { AnaDATA. while (true) { if (TR_INT) // Llegó la interrupción correspondiente al final del ciclo de la red { TR_INT=FALSE. Código Inicial del PIC de Control ///////////////////////////////////////////////////////////////////////// //// 3PhaseController.h> #device *=16 #include <stdlib.c //// //// /////////////////////////////////////////////////////////////// #include <16F877A.Data[i]=0. i<Last_channel+1. // setup interrupts set_timer1 (TIMER1_VAL). Write_Data2EEPROM (). Apéndice 9. // Colocar el puerto A como entrada output_bit (RD. enable_interrupts(GLOBAL). 0x1000). // Definir la estructura del puerto b #byte port_B = 6 // y mapearla al puerto físico //set_trisB(0b11110001).mean=0.100 9.Data[i]=AnaACQ. write_CPLD (SOC. i++) { AnaACQ. FORCE_HW) #use rs232(baud=9600. } #INT_TIMER1 void Timer1_INT() { int i.h> #include <3PhaseController. union MEAS measure.PUT. i<Last_channel+1. union AnaResult AnaDATA. (1/INT_PER_SECOND) us for (i=0. atenderla y activar el bit E2 void Default_INT() { output_high (PIN_E2). // Desactivar escritura del DAC de corriente set_tris_D(0xFF). 0). } void write_CPLD (int select. // Seleccionar tipo de escritura output_D(write_data).NOLVP. output_low (PIN_E2). conteniendo a los 4 bits mas significativos output_bit (RD. Lenght. 1). output_bit (WR.sel = select. //bandera para la activación del PID . CHKSum} I2C_STATE.BROWNOUT #use delay(clock=CLK_freq) #use I2C(SLAVE. SCL=PIN_C3.input[0] = input_D(). i<4. FORCE_HW) #use rs232(baud=19200. measure. 0). Código Final del PIC de Control ///////////////////////////////////////////////////////////////////////// //// 3PhaseController. 0). } long int read_CPLD (int select) { union DataIN ADC. long int write_data) { if (select) // Seleccionar escritura para el DAC de voltaje { output_bit (SEL_V_DA. 1).// Leer el puerto B. 0)).// y escribir los 4 bits mas significativos del valor en el NIBBLE alto de B port_B. // Colocar D. short VsetFlag =FALSE.PUT. 1). I2C_STATE fState. // Definir la estructura de entrada port_B. // y los 4 bits mas significativos de B como entrada } void Write_Data2EEPROM () { int i.sel = DALoad. short PS_ONFlag = TRUE. 1). Volt. 1).2. 1). xmit=PIN_C6.// Escribir los 8 bits menos significativos del valor en D set_tris_B(0x01). // Deshabilitar escritura (WR<--0) output_bit (SEL_V_DA. // Deshabilitar Lectura (RD<--0) return (ADC. DevAddress. // Desactivar escritura del DAC de voltaje output_bit (SEL_I_DA. // Escribir los 8 bits en D. int write_data) { port_B.c //// //// //// ///////////////////////////////////////////////////////////////////////// #include <16F877A. // Seleccionar tipo de Lectura output_bit (RD.data = MAKE8(write_data.h> #fuses HS. short TIM1Flag=FALSE. 0). // Activar la línea de carga de los DACS output_bit (WR.input[1] = port_B. } else // Seleccionar escritura para el DAC de corriente { output_bit (SEL_V_DA.NOPROTECT. } output_D(MAKE8(write_data. // Habilitar Escritura (WR<--1) output_bit (WR. SDA=PIN_C4. short ISetFlag = FALSE.Result). // Habilitar Escritura (WR<--1) output_bit (WR. // Deshabilitar escritura (WR<--0) set_tris_D(0xFF).h> #include <3PhaseController. // Colocar D como entrada } void write_DAC (short select.h> #device *=16 ADC=10 #include <stdlib. short ChkSum_OK = FALSE. i++) write_eeprom(i.101 } #INT_DEFAULT // Si llegó una interrupción no definida. output_bit (SEL_I_DA. output_bit (SEL_I_DA. rcv=PIN_C7) typedef enum {Idle. Curr. A.NOWDT.TXvalue[i]). set_tris_B(0xF1). // Colocar los 4 bits mas significativos de B como salida port_B.data. ADDRESS=I2CAddress.Leer el puerto D. short I2CRXFlag = FALSE. for (i=0. correspondiente a los 8bits menos significativos ADC. 1).sel = select. } 9. short PID_Flag = TRUE. 0). // Habilitar Lectura (RD<--1) ADC. short ALFASetFlag = FALSE. 1). SLOW. // Colocar Read en 0 output_bit (WR. struct port_b_layout port_B. ki=search_varEE(ki_index). struct AnaIN AnaACQ. short sendtoPC=FALSE. setup_adc (ADC_CLOCK_DIV_32). float float_in=0.. //variables de la interrupción RS232 char PC_incoming[7].AN4 // // Conversion Clock: /32 // //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// set_tris_A(0b11001101). float error_act=0. float kd=0. short kpEEPROM_OK=FALSE.00. 0). // Apagar LED A.00. #byte port_B = 6 #byte SSPSTAT = 0x94 #byte SSPCON = 0x14 // Ángulo de Disparo // Definir la estructura del puerto b // y mapearla al puerto físico struct port_b_layout const CPLD_WRITE = {1. float vrec_pid=0..0. char chk4=0. char chk3=0. kd=search_varEE(kd_index). // Desactivar escritura del DAC de corriente output_float(PC_SCL).0x0}. float Iset=0. float ioutPC=0. float gen=0. 1).3 como entrada setup_adc_ports (AN0_VREF_VREF). fState = Idle. // Desactivar escritura del DAC de voltaje output_bit (SEL_I_DA. // Adecuar Puerto B para lectura output_bit (RD.00. // Iniciar la máquina de estado de recepción I2C //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Entradas Analógicas: AN1. i<Last_channel+2. long int Vout.00. alfa1)// Envia el valor de alfamax para asegurar no haya falsos disp for (i=0. 1).0.0. 0). float pid=0. output_bit(PIN_A1. short RS232_in=FALSE. } } port_b. // For write mode all pins are out struct port_b_layout const CPLD_READ = {1.00. //variables para uso del PID int alfa=254. kp=search_varEE(kp_index). // Apagar LED A.0.00. char chktoPC=0.00.00. // y DATA I2C set_tris_B(CPLD_READ). int num_data=0. float voutPC=0. i++) // Inicializar las variables de los valores medidos . // Colocar el puerto A. A. char chk2=0. float Vset=0.4 output_bit(PIN_A5. i++. // Adecuar Puerto B para lectura while (i<240) // Esperar 240 cambios de 60Hz para validación { if (input(PIN_B0)) { read_CPLD(Stat). union AnaResult AnaDATA.0. 1). short send_constoPC=FALSE. short kdEEPROM_OK=FALSE.1 output_bit(PIN_A4. char chk_calculado=0. // For read mode data pins are in void main() { int i=0.102 //short over_flag=FALSE. // Apagar LED A.00.00. // Inicializar CLOCK output_float(PC_SDA). float kp=0.00. float error_ant=0. float vrec_set=0.00. char chk1=0. char data_in.RES=0x1. // Eliminar RESET general write_CPLD (AlfaLoad.5 set_tris_B(CPLD_READ).00. float tempPC=0. // Colocar Write en 0 output_bit (SEL_V_DA.00. float error_t=0.00.0. short kiEEPROM_OK=FALSE.Iout. int alfa1=254.2 y A. float ki=0. 1).0xF}. 1). send_constoPC=FALSE. i<Last_channel+2. 0). // Restaurar a cero el contador de promediado write_CPLD (SOC. write_CPLD (SOC.mean=0. kiEEPROM_OK=FALSE. // Guardar el valor de vrec en la variable vout vrec_pid=AnaDATA. //envia el chksum }//fin del envio de constantes a la PC if (input(PIN_B0))// Si hubo una interrupción de 60Hz no servida. // Restaurar a cero el promedio } ioutPC=AnaDATA.// Leer y acumular la última conversión activada para cada canal } AnaACQ. putc(chktoPC). setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_1). //envia el float chk1=calc_chksum(kp). chktoPC=chk1+chk2+chk3. restaurar el CPLD { read_CPLD(Stat).Data[1].Data[i]=0. // Cargar el valor de cuenta de TIMER enable_interrupts(INT_TIMER1). delay_us(50). // Inicializar la primera Conversion en el ADC del micro delay_us(20). // Espera de 2Tad para iniciar conversión read_adc (ADC_START_ONLY). i<Last_channel+1. i++) { AnaACQ.Data[2]. // Iniciar la conversión A/D del Micro } if (kpEEPROM_OK) //Si la Bandera de recepción de un nuevo valor de constante { //es TRUE actualizar el mismo en la variable kp=search_varEE(kp_index). kdEEPROM_OK=FALSE. } if (send_constoPC) //Envia las constantes del PID a la PC { chktoPC=0. // Activar interrupciones TIMER 1 enable_interrupts(INT_SSP). // Activar interrupciones de RS23 while (true) { if (TIM1Flag) { TIM1Flag = FALSE. // Esperar 10us hasta la siguiente instrucción for (i=0. // Restaurar a cero el promedio } AnaACQ. kpEEPROM_OK=FALSE. //envia el float send_float(kd).Data[0].Data[i]=Scale[i]*(float)AnaACQ. } if (kiEEPROM_OK) //Si la Bandera de recepción de un nuevo valor de constante { //es TRUE actualizar el mismo en la variable ki=search_varEE(ki_index).Data[i]=0. chk2=calc_chksum(ki).Data[i]=0. // Activar interrupciones I2C enable_interrupts(GLOBAL).Data[i]/AnaACQ. // Guardar el valor de vrec en la variable iout voutPC=AnaDATA.Data[3].// Guardar el valor de vrec en la variable vrec_pid tempPC=AnaDATA.mean+Offset[i]. AnaACQ. 0). AnaACQ.103 { AnaDATA.0.mean++. send_float(kp).mean=0. // Asegurar tiempo de conversión //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Programación y habilitación de Interrupciones // // // //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ext_int_edge (L_TO_H). // Definir actividad del TIMER 1 set_timer1 (TIMER1_VAL). // Obtener el valor promedio de la medición de los ADC AnaACQ. // Guardar el valor de vrec en la variable temp AnaACQ. // Restaurar a cero el contador de promediado . // Activar interrupciones globales enable_interrupts(INT_RDA). //envia el float send_float(ki).Data[3]+=read_adc(ADC_READ_ONLY).// Leer y acumular la última conversión activada del Micro delay_us (10). chk3=calc_chksum(kd). // Iniciar primera conversión A/D en los tres convertidores set_adc_channel (0). for (i=0. } if (kdEEPROM_OK) //Si la Bandera de recepción de un nuevo valor de constante { //es TRUE actualizar el mismo en la variable kd=search_varEE(kd_index). // Iniciar la conversión A/D en los tres convertidores read_adc (ADC_START_ONLY).Data[i]+=read_CPLD(i). i++) // Actualizar los valores medidos { AnaDATA. 1). //carga el último valor del alfa1 error_act=(difIGBT-(vrec_pid-voutPC))/Vmax.//Flag que indica si el bit 7 del dato 2 es true o false RS232_in=FALSE. //acumula el error actual como el error anterior para el próximo ciclo }//fin del PID if (ChkSum_OK) // Si hay Checksum válido { ChkSum_OK = FALSE. if (chk_calculado==PC_incoming[6] //si no hubo error en la comunicación proceder a procesar los bytes { //***Rutina para intercambiar los bits de signo entre el formato de float de la PC y el formato de float del PIC**// if (bit_test(PC_incoming[3].1).7). if(pid<0. alfa1=alpha[(int)pid]. else //si el bit0 del primer dato era '0' coloca en '0' el bit7 del segundo dato bit_clear(PC_incoming[3].7).00) //si el pid <0 lo limita a 0 pid=0. //calcula el pid if(pid>PIDmax) //si el pid es >Vmax lo limita a alpha_max pid=PIDmax. case 0x49: Write_Data2EEPROM('i'). rotate_left(&PC_incoming[2]. //si el bit7 del segundo dato es '0' rota el primer dato y coloca '0'en su bit0 rotate_left(&PC_incoming[2]. i++)//calcula el chksum de los datos llegados en la interrupción del RS232 chk_calculado+=PC_incoming[i]. }//fin del if senf to PC }//fin del if PIN_B0 if (RS232_in) //Si hubo una interrupción de RS232 ejcutese el siguiente codigo { short bit7_PC2=FALSE. i<=3. break.104 if (PID_Flag) //Cálculo del PID { write_CPLD (AlfaLoad.7).h error_ant=error_act.00. bit_clear(PC_incoming[2]. alfa1).0). i++) * ( &float_in + i )=PC_incoming[i+2]. //Bajar el flag de RS232_in chk_calculado=0.7)) //si el bit7 del segundo dato es '1' rota el primer dato y coloca '1'en su bit0 { bit7_PC2=bit_test(PC_incoming[2]. alfa). } else { bit7_PC2=bit_test(PC_incoming[2].0). //Escribe en la EEPROM el valor de la constante kp kpEEPROM_OK=TRUE. for (i=0. //Llena las posiciones de memoria de float_in con el contenido de PC_incoming[] para armar el float switch (PC_incoming[1]) { case 0x50: Write_Data2EEPROM('p'). case 0x44: . i<=5. // Cargar el valor actual de alfa } }//fin del ChkSum if (sendtoPC) // Envio a la PC de los datos del status de la fuente { send_to_PC().7). if (ALFAsetFlag) // Si está habilitada la escritura del ángulo de disparo { ALFAsetFlag = FALSE. //se asigna a alfa el valor correspondiente segun la tabla definida en el .//calcula el error actual y lo normaliz error_t+=error_act. bit_set(PC_incoming[2]. break. //Limpiar el chksum calcul for (i=0. //Escribe en la EEPROM el valor de la constante ki kiEEPROM_OK=TRUE. } if (bit7_PC2) //si el bit0 del primer dato era '1' coloca en '1' el bit7 del segundo dato bit_set(PC_incoming[3]. //acumula el error pid=error_act*kp+error_t*ki+(error_act-error_ant)*kd. write_CPLD (AlfaLoad. //Escribe en la EEPROM el valor de la constante kd kdEEPROM_OK=TRUE. case 0x56: vrec_set=float_in.TXData[TX_index]. static int TX_index. case 0x47: gen=float_in. Vout). }//fin del switch }//fin del if que chequea el chksum }//fin del if RS232 if (I2CRXFlag) { I2CRXFlag = FALSE.00. // Calcular el Checksum a medida que se vayan transmitiendo los datos i2c_write(AnaDATA.// y escribirlo en el convertidor D/A } } else if (IsetFlag)// Si está habilitada la escritura de corriente { IsetFlag = FALSE. if (PS_ONFlag) // Si la salida de la fuente de tensión está activada { Vout = (long)(Vset/Vmax*Convertion_precision). //escribe el numero de 12 bits en los D/A si esta habilitada la salida del IGBT // PID_Flag = TRUE.TXData[TX_index++]). // Convertir el valor en un número de 12 bits y cargarla en la variable de salida // vrec_set=Vset.00) vrec_set=0. // Mostar actividad de transmisión if (TX_index<TX_Bytes) { TX_sum += AnaDATA.// Coloca la interrupción del timer 1 en (1/INT_PER_SECOND) us TIM1Flag = TRUE. TX_sum. break. // cargar con 0 la variable de salida write_DAC(V_DAC. if (i2c_poll() == FALSE) // i2c_poll() returns false on the interrupt receiving { // the second command byte for TX operation output_toggle(PIN_A1). } #INT_SSP void ssp_interupt() { int incoming. Iout). RX_index. // Si se terminó una secuencia de transmisón de I2C if (ChkSum_OK) // Si hay Checksum válido ChkSum_OK = FALSE. { if (VsetFlag) // y si está habilitada la escritura de tensión { VsetFlag = FALSE. //carga el valor de Vout en vrec_set para controlar la el voltahje a la salida del rectificador write_DAC(V_DAC. //Asigna el float entrante a la constante vrec_set if (vrec_set > Vmax) vrec_set = Vmax. DataCount. //Si es mayor a 190 o menor a 0 limita el vrec_set if (vrec_set < 0. // Convertir el valor en un número de 12 bits write_DAC(I_DAC. //caso general para uso posteriores sendtoPC=TRUE. //Habilita el PID para retomarlo luego de una modificación manual del alpha } else { // ó Vout = 0. Vout). break. } else if (TX_index++ == TX_Bytes) . default: break.105 Write_Data2EEPROM('d'). RX_sum. Iout = (long)(Iset/Imax*Convertion_precision). // y escribirlo en el convertidor D/A } } } } } #INT_TIMER1 void Timer1_INT() { set_timer1(TIMER1_VAL). break. // Mostrar actividad de Recepción incoming = i2c_read(). VSetFlag = TRUE.// Acumular el checksum a medida que vayan llegando los datos *(&Vset + RX_index++) = incoming// Ir actualizando los valores de consigna de tensión } else { VSetFlag = TRUE. case 'V': fState = Volt.00 break. break. ALFASetFlag = TRUE. if (fState == Idle) { fState = DevAddress. // Habilitar la actualización de los valores de los convertidores } } else { output_toggle(PIN_A4). // Asegurar que cuando llega una dirección válida. fState = CHKSum. // TX_index = 0. // tanto el contador de transmisión como el checksum valen 0 I2CRXFlag = TRUE. case 'I': fState = Curr. // Actualizar la cantidad de bytes a recib fState = Lenght. break. break. case '1': // Orden de encendido de la fuente PS_ONFlag = TRUE. break. // Permitir escritura en el DAC de tensión fState = CHKSum. break. // Enviar el Checksum } else { fState = Idle. RX_index = 0. RX_sum = 0. //vrec_set=0. // Acumular el checksum a medida que vayan llegando los datos switch (incoming) // Despachar a la rutina correspondiente { case 'R': // Prueba decomunicación fState = CHKSum. . // Recepción de comando desconocida break. } } else if (fState == A) { RX_sum += incoming.00. case 'A': fState = A. // Permitir escritura en el DAC de tensión fState = CHKSum. // Acumular el checksum a medida que vayan llegando los datos DataCount = incoming. } else if (fState == Volt) { if (RX_index < DataCount) // Esperar todos los datos menos el Checksum { RX_sum += incoming. // Asegurar que cuando llega una dirección válida. // y esperar por el comando } else if (fState == Lenght) // Ya llegó el comando { RX_sum += incoming. default: output_toggle (PIN_A5). // Acumular el checksum a medida que vayan llegando los da alfa = incoming. RX_index = 0. // el checksum valga 0 } else if (fState == DevAddress) // Ya llegó la dirección válida { RX_sum += incoming. VSetFlag = TRUE. case '0': // Orden de apagado de la fuente PS_ONFlag = FALSE. //coloca el set de voltaje del rectificador en 0. TX_sum = 0. RX_index = 0.106 { i2c_write (TX_sum). int write_data) { port_B. output_low (PIN_E2). } void write_CPLD (int select. } } } #INT_DEFAULT // Si llegó una interrupción no definida. // A medida que van llegando los datos se va llenando el arreglo data_in=0. } #INT_RDA // Interrupción del RS232 void char_rec_INT() { data_in=getchar(). // Se incrementa el indice } if (num_data==0 && data_in=='V') sendtoPC=TRUE. // Se guarda el byte de cantidad de datos en el arreglo num_data++. // Guadar en data_in el byte que ha llegado if (num_data > 0) // Si ya ha llegado un dato ejecutese este if { PC_incoming[num_data]=data_in. else ChkSum_OK = FALSE. // Seleccionar tipo de escritura . // Leer el puerto D.107 fState = CHKSum. 1). correspondien los 8bits menos significativos Data. RS232_in=TRUE. // Adecuar Puerto B para lectura port_B.sel = select. // Ir actualizando los valores de consigna de Corriente } else { ISetFlag = TRUE. //si el primer dato q llega es K activar el envio de datos a la PC if (num_data==0 && data_in=='O') sendtoPC=FALSE. // Seleccionar tipo de Lectura output_bit (RD. // Habilitar Lectura (RD<--1) Data. atenderla y activar el bit E2 void Default_INT() { output_high (PIN_E2). // Si el primer dato que llega es O desactivar el envio a la PC if (num_data==0 && data_in=='R') send_constoPC=TRUE.kd a la PC }//fin de la interrupción long int read_CPLD (int select) { union DataIN Data. } } if (num_data==0 && data_in==0x04) // Si el primer dato que llega es el byte de cantidad { PC_incoming[num_data]=data_in. fState = CHKSum. } } else if (fState == CHKSum) { if (RX_sum == incoming) ChkSum_OK = TRUE. fState = Idle.// Si el primer dato que llega es R enviar las constantes kp. // Acumular el checksum a medida que vayan llegando los datos *(&Iset + RX_index++) = incoming. // Definir la estructura de entrada set_tris_B(CPLD_READ).// Leer el puerto B. 0).data.ki.sel = select. // Deshabilitar Lectura (RD<--0) return (Data. conteniendo a lo 4 bits mas significativos output_bit (RD. } } else if (fState == Curr) { if (RX_index < DataCount) // Esperar todos los datos menos el Checksum { RX_sum += incoming.input[1] = port_B. // Incrementa el indice del arreglo if (num_data==7) // Si el arreglo ya esta lleno se inicializa el indice y se levanta la bandera de que han llegado todos los datos { num_data=0.Result).input[0] = input_D(). // Limpia data_in num_data++. 1). output_bit (SEL_I_DA. // Reestalecer interrupciones } void Write_Data2EEPROM (char tipo)//escribe en la EEPROM segun la variable que se le indique { int i. long int write_data) { disable_interrupts (GLOBAL).// Escribir los 8 bits menos significativos del valor en D set_tris_B(CPLD_WRITE). 0). set_tris_D(0xFF). i<=3. // y los 4 bits mas significativos de B como entrada enable_interrupts (GLOBAL).index))=read_EEPROM(i). // Deshabilitar escritura (WR<--0) set_tris_D(0xFF). // Colocar los 4 bits mas significativos de B como s port_B. } void write_DAC (short select. } if (tipo=='d') { for (i=kd_index. i<=ki_index+3. int i. i++) putc(*(&data + i)). i++) write_eeprom(i. / Activar la línea de carga de los DACS output_bit (WR. return(chk). 0). 0).data = MAKE8(write_data. //se blanquea el chksum q va a la PC putc(0x16).PC_incoming[i-ki_index+2]). i++) write_eeprom(i. } char calc_chksum(float num1) //calcula el chksum de los 4 bytes del float { int i. evitar data falsa // // // // Escribir los 8 bits en D. 1). i++) chk+=*( &num1 + i ). output_bit (WR. i<=kd_index+3. } void send_to_PC()//Envia el status de la fuente a la PC "pasado a funcion para aligerar el segmento del PIC" { chktoPC=0. 1). Habilitar Escritura (WR<--1) Deshabilitar escritura (WR<--0 Colocar D como entrada // Deshabilitar interrupciones para output_D(MAKE8(write_data. for (i=0. //envia el byte cantidad putc(0x56). } output_bit (SEL_V_DA. for (i=0. //envia el byte tipo . output_bit (WR. i<=index+3. } }//fin del write_data void send_float(float data) //envia el float a la PC { int i. // Colocar D.PC_incoming[i-kd_index+2]). return(num). 0)).sel = DALoad. // Desactivar escritura del DAC de corriente port_B. for (i=index. i++) write_eeprom(i. i++) //Busca los valore del float guardados en la EEPROM y actualiza dichas variables *(&num + (i . 1).00. 1). output_bit (SEL_I_DA. / Desactivar escritura del DAC de voltaje output_bit (SEL_I_DA. } else // Seleccionar escritura para el DAC de corrient { output_bit (SEL_V_DA.PC_incoming[i+2]). } if (tipo=='i') { for (i=ki_index. char chk=0. if (tipo=='p')// si es P la variable guarda 4 bytes consecutivos a partir del indice dado { for (i=kp_index. i<=3. 1)// y escribir los 4 bits mas significativos del valor en el NIBBLE alto de B if (select) // Seleccionar escritura para el DAC de voltaje { output_bit (SEL_V_DA. set_tris_B(CPLD_READ). //envia los 4 byte del float } float search_varEE(char index) //Busca segun el indice el float en la EEPROM { float num=0. 1). Habilitar Escritura (WR<--1) output_bit (WR.108 output_D(write_data). i<=kp_index+3. 0). 04 6. chktoPC=chk1+chk2+chk3+chk4+0x16+0x56.05 7.9 94.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 105 10 104.93 49. send_float(voutPC).11 9.8 115 Variación Volt 0.7 159.01 3.9 89.23 14.99 70 75 80 85 90 95 100 4. chk1=calc_chksum(vrec_pid).7 169.8 134.8 105 110 115 114.94 39.999 10 15 20 25 29.25 19.27 18.23 13.9 84.94 44.7 164.16 12.11 10.99 39.98 14.8 120 Variación Amp 0.8 139.7 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 Tabla 9.005% 120 119.15 11.99 59.97 24.9 69.02 4.99 49.03 5.9 79. chk4=calc_chksum(ioutPC). .9 64.8 149.99 54.9 124. chk2=calc_chksum(voutPC). send_float(tempPC).95 34.24 17.993 9.8 109.8 144. send_float(ioutPC).01 2.8 154. putc(chktoPC).05% 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 179.92 54.8 99.1: Calibración de los instrumentos.9 44.22 16. } //calcula el //calcula el //calcula el //calcula el //calcula el chksum //envia el float //envia el float //envia el float //envia el float chksum parcial de este float chksum parcial de este float chksum parcial de este float chksum parcial de este float final y lo envia a la PC 9.99 34.05 8. chk3=calc_chksum(tempPC).96 29.9 74.9 59.99 64.97 19. Fluke Patrón 5520A[A] 4.27 20.109 send_float(vrec_pid).3.8 129.7 174.26 15.8 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 1. Tablas de Calibración de los Instrumento Multimetro Fluke Multimetro Tektronix Patron 5520A[V] Pinza Amp.7 179. 110 9.4. Hoja Técnica del Codificador Óptico . 111 .