An lisis
experimental de cicloconvertidor monof sico para cargas resistivas con
subm ltiplos de frecuencias
Experimental analysis of
single-phase cycloconverter for resistive loads with submultiples of
frequencies
An lise experimental de
cicloconversor monof sico para cargas resistivas com subm ltiplos de
frequ ncias
Helarf
Calsina
, Juan aca
DOI: https://doi.org/10.55996/dekamuagropec.v5i1.209
RESUMEN
Este art culo se
desarroll por la necesidad de disponer de potencia el ctrica con frecuencias
ajustables, diferente a la suministrada por la red el ctrica convencional, para
aplicaciones industriales y de control de motores. El cicloconvertidor implementado
consta de etapa de potencia con dispositivos SCRs y optoacopladores, etapa de
control con microcontrolador para la gesti n de las se ales de disparo de los
semiconductores de potencia. Se realizaron simulaciones y pruebas
experimentales para validar el funcionamiento del sistema bajo diversas
condiciones. El cicloconvertidor puede modificar eficazmente la frecuencia de
entrada de 60 Hz, proporcionando frecuencias de salida ajustables y estables
para cargas resistivas. Los resultados muestran
frecuencias experimentales muy cercanas a las calculadas: para un subm ltiplo
de 2, 29.976 Hz; subm ltiplo de 3, 20 Hz; subm ltiplo de 4, 15Hz, subm ltiplo
de 5, 11.99 Hz; y para un subm ltiplo de 6,10 Hz. Las variaciones m nimas
entre las frecuencias simuladas y experimental se deben a factores de
tolerancia de los componentes electr nicos. Este m todo propuesto es de
importancia pr ctica para mejorar el nivel de aplicaci n del cicloconvertidor
en el control de velocidad de variadores de AC.
Palabras
claves: Cicloconvertidor,
Microcontrolador, Monof sico, Potencia, Subm ltiplo.
ABSTRACT
This article
is developed due to the need to have electrical power with adjustable
frequencies, different from that supplied by the conventional electrical
network, for industrial and motor control applications. The implemented
cycloconverter consists of a power stage with SCR devices and optocouplers, a
control stage with a microcontroller for managing the trigger signals of the
power semiconductors. Simulations and experimental tests were carried out to
validate the operation of the system under various conditions. The
cycloconverter can effectively modify the 60Hz input frequency, providing
adjustable and stable output frequencies for resistive loads. The results show
experimental frequencies very close to those calculated: for a submultiple of
2, 29.976 Hz; submultiple of 3, 20 Hz; submultiple of 4, 15Hz, submultiple of
5, 11.99 Hz; and for a submultiple of 6.10 Hz. The minimum variations between
the simulated and experimentally obtained frequencies are due to tolerance
factors of the electronic components. This proposed method is of practical
importance to improve the application level of cycloconverter in speed control
of AC drives.
Keywords: Cycloconverter,
Microcontroller, Power, Single-phase, Submultiple.
RESUMO
Este artigo foi
desenvolvido devido necessidade de se ter energia el trica com frequ ncias
ajust veis, diferentes daquela fornecida pela rede el trica convencional, para
aplica es industriais e de controle de motores. O cicloconversor implementado
consiste em um est gio de pot ncia com dispositivos SCR e optoacopladores, um
est gio de controle com um microcontrolador para gerenciamento dos sinais de
disparo dos semicondutores de pot ncia. Simula es e testes experimentais foram
realizados para validar o funcionamento do sistema sob diversas condi es. O
cicloconversor pode modificar efetivamente a frequ ncia de entrada de 60 Hz,
fornecendo frequ ncias de sa da ajust veis e est veis
para cargas resistivas. Os resultados mostram frequ ncias
experimentais muito pr ximas das calculadas: para um subm ltiplo de 2, 29,976
Hz; subm ltiplo de 3,20 Hz; subm ltiplo de 4, 15 Hz, subm ltiplo de 5, 11,99
Hz; e para um subm ltiplo de 6,10 Hz as varia es m nimas entre as frequ ncias
simuladas e obtidas experimentalmente s o devidas a fatores de toler ncia dos
componentes eletr nicos. Este m todo proposto de import ncia pr tica para
melhorar o n vel de aplica o do cicloconversor no controle de velocidade de
inversores CA.
Palavras-chave: Cicloconversor,
Microcontrolador, Monof sico, Pot ncia, Subm ltiplo
INTRODUCCI N
El cicloconvertidor electr nico es un
dispositivo que convierte una se al AC de frecuencia fija de una red monof sica
en una se al de frecuencia ajustable. Estos dispositivos son ampliamente
utilizados en la industria, especialmente para controlar la velocidad de
motores en corriente alterna s ncronos. Los cicloconvertidores son una soluci n
eficiente para situaciones de variaci n de frecuencias, gracias a la alta
eficiencia energ tica que ofrecen (Liu et al., 2005), por lo general, los
convertidores de CA a CA con conmutaci n suave se dividen en dos tipos:
Convertidores indirectos, que utilizan un enlace de corriente continua (DC)
para interconectar dos sistemas de corriente alterna (AC), y los convertidores
directos, que realizan la conversi n de manera directa entre dos sistemas CA (Suganthi et al., 2016).
Los cicloconvertidores establecen una
soluci n eficiente para soluciones en la variaci n de frecuencia, gracias a la
alta eficiencia energ tica que ofrecen. Esto ha sido posible gracias a los
avances de dispositivos electr nicos de potencia, como los SCRs y los IGBT, y
en sistemas de control que utilizan microcontroladores, microprocesadores, DSPs
y circuitos integrados espec ficos. En el desarrollo del trabajo de
investigaci n la primera etapa del dise o implica la selecci n de dispositivos
electr nicos de potencia, teniendo en cuenta caracter sticas de la carga, y
estableciendo las debidas protecciones el ctricas. Una vez definida la etapa de
potencia, se dise a e implementa la etapa de control, configurando y
programando los microcontroladores seleccionados seg n la l gica y estrategia
de control desarrollada.
Operaci n del
cicloconvertidor
El funcionamiento de los
cicloconvertidores monof sicos a monof sicos se ilustra en la figura 1. En este
sistema, se utilizan dos rectificadores controlados operando como
rectificadores de puente. No obstante, los ngulos de retardo de estos
convertidores se ajustan de manera que la frecuencia de salida de uno sea igual
pero opuesto al del otro. Si solo el convertidor positivo (P) est en
funcionamiento, el ciclo de salida es positivo, mientras que si solo el
convertidor negativo (N) est operando, el ciclo de salida es negativo. Para
conseguir las frecuencias deseadas se debe hacer el disparo en pares de los
SCRs T1_T2 y T3_T4 para el ciclo positivo y para el ciclo negativo T1 _T2 y
T3 _T4 .
Para los cicloconvertidor monof sico
se necesita una fuente de voltaje de AC monof sica, mientras para los
cicloconvertidores trif sicos se requiere de una fuente de voltaje AC trif sica
programable (Biabani y Pasha, 2016).
En la Figura 1, el esquema del
cicloconvertidor incluye una fuente de alimentaci n, un convertidor positivo,
un convertidor negativo y una carga.
Detector
de cruce por cero
Es esencial em sistemas donde se necesita
sincronizar eventos con la alternancia de la corriente el ctrica. La funci n
principal es identificar el momento exacto donde una se al alterna cambia de
direcci n, pasando de negativa a positiva o viceversa. Facilitando as el
control del ngulo de conmutaci n de dispositivos electr nicos, mejorando la
eficiencia y precisi n del sistema.
Detector de semi-ciclo
positivo
Este detector es usado en sistemas
que requieren sincronizaci n basada en la polaridad positiva de la se al
el ctrica. Utilizado en controladores AC o rectificadores controladores. El
funcionamiento corresponde a identificar el momento preciso en que una se al
alterna alcanza polaridad positiva.
MATERIALES Y M TODOS
Dispositivos Electr nicos
Se utilizaron dispositivos
electr nicos como SCR BT151 que cuenta con tres conexiones: nodo, gate y
c todo que funciona como un diodo rectificador controlado, optoacoplador 4N35
funciona como un switch activado a trav s de la luz emitida por un diodo led ,
transistor 2N222 utilizado para la entrega de una se al de output frente a una
se al de input, amplificador operacional LM358 en modo comparador,
microcontrolador Atmega328 que consta de catorce pines de entrada/salida
digital los cuales cuatro usados para modulaci n PWM en las salida y seis
entradas an logas con su respectivo resonador cer mico de 16 Mhz.
Dise o de circuito
Los par metros de la carga R
Tabla 1. Par metros de la
implementaci n del cicloconvertidor con carga resistiva (R=42
)
|
Input Source
|
1  , 220VAC
|
|
Frecuencia de
la fuente
|
60 Hz
|
|
Salida de la
fuente
|
30 HZ
|
|
Carga
|
42
|
|
Sub M ltiplo
|
2
|
RESULTADOS
Para la simulaci n la fuente de
ingreso de la red el ctrica es de 220 volts(rms) con 60 Hz y una carga
resistiva de R=42
Figura 9. Resultados de simulaci n
El resultado de la simulaci n se
realiz en el software de Proteus con resultados ptimos. Sin embargo, en el
modo experimental los resultados son satisfactorios debido a que se lleg a
operar el cicloconvertidor en diferentes frecuencias, as como muestra la tabla
2.
En la figura 10, la frecuencia de
30Hz dividida entre 2, se activa la secuencia de disparo para los SRCs (T1, T2
y T3, T4) ciclo positivo y los SCRs (T3, T4 y T1, T2) ciclo negativo.
Figura 10. Frecuencia dividida entre 2
En la figura 11, la frecuencia 20Hz
dividida entre 3 se activa la secuencia de disparo para los SRCs (T1,T2 ; T3,T4
y T1,T2) ciclo positivo y los SCRs (T1,T2 ; T3,T4 y T1,T2) ciclo negativo.
Figura 11. Frecuencia dividida entre 3
En la figura 12, la frecuencia 15Hz
dividida entre 4 se activa la secuencia de disparo para los SRCs (T1, T2; T3, T4;
T1, T2 y T3, T4) ciclo positivo y los SCRs (T3, T4; T1, T2; T3, T4 y T1, T2)
ciclo negativo.
Figura 12. Frecuencia dividida entre 4
En la figura 13, la frecuencia 12Hz
dividida entre 5 se activa la secuencia de disparo para los SRCs (T1,T2; T3,T4;
T1,T2; T3,T4 y T1,T2) ciclo positivo y los SCRs (T1,T2 ; T3,T4 ; T1,T2 ; T3,T4
y T1,T2) ciclo negativo.
Figura 13. Frecuencia dividida entre 5
En la figura 14, la frecuencia 10Hz
dividida entre 6 se activa la secuencia de disparo para los SRCs (T1,T2 ;
T3,T4; T1,T2; T3,T4 ;T1,T2 y T3,T4) ciclo positivo y los SCRs (T3,T4 ; T1,T2 ;
T3,T4 ;T1,T2; T3,T4 y T1,T2) ciclo negativo.
Figura 14. Frecuencia dividida entre 6
Tabla 2. Resultados de la
implementaci n del cicloconvertidor con carga resistiva (R=42
)
|
Frecuencia de la Red
(60Hz)
|
Frecuencia te rica (Hz)
(Simulada)
|
Frecuencia medidas (Hz)
(Experimental)
|
|
Dividido entre 2 (Subm ltiplo)
|
30
|
29.976
|
|
Dividido entre 3 (Subm ltiplo)
|
20
|
20
|
|
Dividido entre 4 (Subm ltiplo)
|
15
|
15
|
|
Dividido entre 5 (Subm ltiplo)
|
12
|
11.99
|
|
Dividido entre 6 (Subm ltiplo)
|
10
|
10
|
DISCUSI N
Goffar et al. (2019), en su art culo de
investigaci n tiene como resultado que a partir de la frecuencia de 50 Hz
obtiene una frecuencia de 16.67 Hz como fuente de poder y produce se ales sinusoidales
alternas cercanas. Si embargo, en el trabajo de investigaci n desarrollado
obtenemos diferentes frecuencias de acuerdo a la variaci n de los subm ltiplos.
Khedekar et al. (2019), en su trabajo de
investigaci n, realizan simulaciones obteniendo resultados de 50Hz de
frecuencia de entrada a 10Hz de frecuencia de salida con una carga resistiva de
0.05 ohmios y una inductancia de 0.5 henrios. En contraste, en nuestro
proyecto, desarrollamos tanto la simulaci n como la implementaci n obteniendo
diferentes frecuencias de acuerdo a los subm ltiplos.
CONCLUSIONES
El resultado de este trabajo de
investigaci n permite el manejo de diferentes frecuencias subm ltiplos (10, 12,
15, 20 y 30 Hz) a partir de la frecuencia fundamental de la red el ctrica de
60Hz, con el fin de manejar intensidades en una carga resistiva de 42 ohms. El
dise o del cicloconvertidor monof sico est compuesto por dos etapas bien
definidas: etapa de control con microcontrolador y la etapa de potencia SCR, en
la etapa de control se debe sincronizar la red mediante un circuito de cruce
por cero compuesto por un OPAM LM358 en modo comparador y un Optotransistor
4N35 para estandarizar la se al a nivel TTL. Con la finalidad de conseguir
dichas frecuencias se debe activar los SCR en pares, para una frecuencia de
30Hz debemos activar T_1 y T_2 para ciclo positivo, T_3 y T_4 para el ciclo
negativo y para las dem s frecuencias como corresponda. Los resultados indican
frecuencias muy pr ximas calculadas te ricamente y simuladas. Los resultados
muestran frecuencias experimentales muy cercanas a las calculadas: para un
subm ltiplo de 2, 29.976 Hz; subm ltiplo de 3, 20 Hz; subm ltiplo de 4, 15Hz,
subm ltiplo de 5, 11.99 Hz; y para un subm ltiplo de 6,10 Hz. Las ligeras
variaciones entre las frecuencias experimentales y calculadas se deben debido a
factores de tolerancia de los componentes electr nicos. El m todo propuesto es
de importancia pr ctica para mejorar el nivel de aplicaci n del
cicloconvertidor en el control de velocidad de variadores de AC. Es por ello
que el dise o y la implementaci n propuesta valida la se al AC monof sica de la
red el ctrica a AC monof sica en diferentes frecuencias subm ltiplos.
REFERENCIAS BIBLIOGR FICAS
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Step down Cyclo Converter. International Conference on Electrical,
Electronics, and Optimization Techniques, ICEEOT 2016 1590 95. doi:
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Experimental Analysis of Modified Single Phase Cycloconverter. 3rd
International Conference on Electrical, Computer and Telecommunication
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Khedekar, Amey, Dhananjay Badade, Harshal Ugawekar, Saurabh Kale, R. D.
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Step Down Cycloconverter for Industrial Application. 2019 International
Conference on Nascent Technologies in Engineering, ICNTE 2019 - Proceedings
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