Proyecto Potencia: Control de Velocidad de un motor de AC con pic18f4550 y Triac. PDF

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La aplicación de la electrónica de potencia es parte fundamental hoy en día, ya que en gran parte de la industria el control de la maquinaria se maneja con la energía eléctrica, con el uso de tensiones y corrientes elevadas lo cual no es posible transmitir con un circuito puramente electrónico, la s...

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO Instituto Tecnológico de León

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA Proyecto final: “Control de Velocidad de un motor de AC con pic18f4550 y Triac”

#Mesa 5

Aguilera López Pablo David Castillo Sánchez Gustavo Escamilla Losoyo Jose De Jesús

Grupo: 7:00 – 8:45 am

Fecha de entrega: 02/12/19

PROFESOR Gustavo Moreno González Terán

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Índice Introducción ........................................................................................................................................ 3 Objetivo ............................................................................................................................................... 3 Metodología ........................................................................................................................................ 3 Materiales ........................................................................................................................................... 3 Procedimiento ..................................................................................................................................... 4 Resultados. ........................................................................................................................................ 14 Anexo 1.............................................................................................................................................. 20 Conclusiones ..................................................................................................................................... 22 Bibliografía ........................................................................................................................................ 23

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Introducción La aplicación de la electrónica de potencia es parte fundamental hoy en día, ya que en gran parte de la industria el control de la maquinaria se maneja con la energía eléctrica, con el uso de tensiones y corrientes elevadas lo cual no es posible transmitir con un circuito puramente electrónico, la solución a esto es la electrónica de potencia que permite tener un control con dispositivos fabricados con semiconductores que permiten soportar grandes cantidades de energía así como la posibilidad de tener un control de estos mediante electrónica, durante la presente practica se hará uso de componentes como optoacopladores útiles para implementar un control mediante microcontrolador, así como tiristores bidireccionales que permitirán la implementación y uso de voltajes y corrientes altos, también se hará uso de componentes pasivos que permitirán el uso adecuado y seguro de los componentes ya mencionados.

Objetivo Se realizará un control mediante un microcontrolador (18f4550) así como el diseño de una etapa de potencia de un motor de CA.

Metodología Para la solución de este problema se utilizó el método que formulo (Plya, 1945) “las cuatro fases esenciales para la resolución de un problema”, las cuales son de gran punto de apoyo de nuestros estudios; estas cuatro fases son: 1. 2. 3. 4.

Comprender el problema. Tazar un plan para resolverlo. Poner en práctica el plan. Comprobar los resultados.

Materiales • • • • • • • • • •

Microcontrolador (𝑃𝐼𝐶18𝑓4550). Optoacoplador con salida a transistor (4𝑛25). Optoacoplador con salida a Triac (𝑀𝑂𝐶3020). Tiristor (𝑇𝑟𝑖𝑎𝑐 𝐵𝑇𝐴16). Capacitor de poliéster (0.1𝑢𝐹, 22𝑝𝐹). Potenciómetros: (5𝑘𝛺 𝑦 10𝑘𝛺 ). Resistencias: (100𝛺, 180𝛺, 360𝛺, 1𝑘𝛺, 10𝑘𝛺). Cristal de (4𝑘𝐻𝑧). Transformador (120𝑣 @ 12𝑣). Lcd 16𝑥2.

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Procedimiento El proyecto consta de las siguientes etapas: 1. 2. 3. 4.

Etapa de rectificación de onda completa. Etapa de cruce por cero. Etapa de control digital mediante el microcontrolador (𝑃𝐼𝐶18𝐹4550). Etapa de potencia con el uso del tiristor bidireccional (𝑇𝑟𝑖𝑎𝑐 𝐵𝑇𝐴16).

Antes que todo, para comenzar a utilizar el osciloscopio como regla reestablecemos a los valores de fábrica (Imagen 1) apoyados del manual del osciloscopio (Rigol, 2009), esto para evitar que se presentes fallas debido a configuraciones hechas en prácticas anteriores, Ya teniendo reseteado él osciloscopio se realiza la calibración de las puntas, para evitar fallas por ruido en la señal, esto también se hace siguiendo las instrucciones del manual.

Imagen 1 Pasos para reestablecer valores de fábrica (Rigol, 2009).

Et a pa de r e ct i f i ca ci ón de on da com pl e t a La rectificación de onda completa (Imagen 2) se utilizará para poder implementar correctamente el cruce por cero, esto debido a que el cruce por cero se realizara mediante un optoacoplador 4𝑛25 el cual es un optoacoplador con salida a fototransistor, “la base del fototransistor de silicio NPN del 4n25 se activa mediante una luz infrarroja emitida por un diodo infrarrojo de arseniuro de galio” (Vishay, 2010), por tanto, para poder trabajar en ambos ciclos tanto como el positivo y el negativo de la señal alterna se implementa la rectificación. Al conectar el osciloscopio obtuvimos la siguiente imagen (Imagen 3). TRANSF. OSCILLOSCOPE VIN A B C KBPC804 TRAN-2P3S

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Imagen 2 Rectificación de onda utilizando transformador y puente de diodos.

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Imagen 3 Onda rectificada por el puente de diodos.

Et a pa de c r uc e p or ce r o Con la señal rectificada se puede hacer uso del optoacoplador 4𝑛25, sin embargo, al revisar el Datasheet que el fotodiodo trabaja con una corriente de reversa [𝐼𝐹 ] 10𝑚𝐴 por lo que se calcularan las resistencias. Se usará un transformador de 12.7 𝑉𝑟𝑚𝑠. 𝑉𝑟𝑚𝑠 = 12.7 𝑉 𝑉𝑝 = 17.96 𝑉 𝐼𝐹 = 10 𝑚𝐴 𝑅 = (17.96 𝑉)/(10 𝑚𝐴) 𝑅 = 1796 𝛺 Usando dos resistencias con un valor comercial de 1.5𝑘𝛺 en la resistencia se garantiza no excederá de la corriente necesaria para encender el fotodiodo, además se calcula la potencia que disipará la resistencia para garantizar el correcto funcionamiento del circuito.

Imagen 4 Circuito equivalente utilizado para el cálculo de potencia.

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De la (Imagen 4) tenemos que el 𝑉𝑅5 = 𝑉𝑅6 analizando la malla tenemos: 12.7√2 − 2𝑉𝑅5 − 0.7 = 0 𝑉𝑅5 = (17.96 𝑉 − 0.7)/2 𝑉𝑅5 = (17.96 𝑉 − 0.7)/2 = 8.62 𝑉 𝑃 = 𝐼𝑉 𝑃 = 8.98 𝑚𝐴 𝑥 8.62 𝑉 𝑃 = 0.077𝑊 En la (Imagen 5) se muestra el diagrama esquemático de nuestro circuito de cruce por cero y en la (Imagen 6) se muestra el circuito implementado.

Imagen 5 Diagrama del circuito de cruce por cero.

Imagen 6 Implementación del circuito de cruce por cero.

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Imagen 7 Medición de las señales del circuito.

Al conectar las puntas del osciloscopio en la etapa de rectificación y en la etapa de cruce por cero (colector del fototransistor) señalado en la (Imagen 5) como [𝑉𝑜 ] se obtuvieron las señales correspondientes mostradas en la (Imagen 8), donde se aprecia claramente que nuestro cruce por cero funciona correctamente.

Imagen 8 Comparación de señal de cruce por cero con la rectificación de onda completa.

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E t a p a d e c o n t r o l d i g i t a l m e d i a n t e e l m i c r o c o n t r o l a d o r (𝑷𝑰𝑪𝟏𝟖𝑭𝟒𝟓𝟓𝟎) Para el control digital se hará uso del microcontrolador 𝑃𝐼𝐶18𝑓4550 con el cual se realizará la programación adecuada para controlar el ángulo de disparo del Triac. Se contemplaron los siguientes puntos importantes para el diseño. 𝑇

•

El disparo de entrada (cruce por cero) se realiza cada 2 .

•

El periodo de la señal rectificada por tanto será de 2(60ℎ𝑧)

• •

El periodo se dividirá en 180 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠. Se utilizará una entrada analógica con un potenciómetro para regular el ángulo de disparo de 1 𝑎 180°. La resolución para utilizar será de 10 𝑏𝑖𝑡𝑠 a la entrada analógica del PIC.

•

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Con los datos de los puntos anteriores tenemos que cada grado constara de un ángulo de disparo para el Triac, lo cual nos lleva al siguiente análisis: El incremento de tiempo por cada grado leído en la entrada analógica del PIC está dado por la relación de la ecuación (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 =

180 1024

C

Dado que la resolución de la entrada analógica es de 10bits se tiene una resolución de 1 – 1024 por tanto esta es: 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = 0.175° Por lo tanto, la obtención de nuestros grados que se mostraran en la Lcd16x2 está dada por la siguiente ecuación: 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 = (0.175)(𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑛𝑎𝑙ó𝑔𝑖𝑐𝑎) Ecuación 1 Obtención los grados en la lcd16x2.

Donde a cada grado le corresponde un tiempo el cual efectuara el disparo del triac; 𝑇=

1 2 𝑥 60𝐻𝑧

𝑇 = 8.333 𝑚𝑠 𝑅𝑒𝑡𝑎𝑟𝑑𝑜 =

8.333𝑚𝑠 180

𝐷𝑖𝑠𝑝𝑎𝑟𝑜 = 𝑅𝑒𝑡𝑎𝑟𝑑𝑜 𝑥 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜 𝐷𝑖𝑠𝑝𝑎𝑟𝑜 = 46.20𝜇𝑠 ∗ 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜

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Imagen 9 Control digital con pic18f4550.

Nota: La resistencia de 10𝐾𝛺 es usada para controlar la corriente que entra por el colector y no exceder los valores máximos en este caso para el 4𝑛25 es de 150 𝑚𝐴 y a la entrada del Pic18f4550 de 20𝑚𝐴 en este caso usando la resistencia de 10𝐾𝛺 entregamos una corriente de 500𝜇𝐴. Cabe señalar que la interrupción en el PIC correspondiente al pin B0, detecta un valor lógico alto (HIGH) a partir de los 0.8 𝑉 (Imagen 10).

Imagen 10 Características eléctricas (PIC18F4550, 2006), p.379.

Imagen 11 Puerto de entrada RB0 (PIC18F4550, 2006), p.117.

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Analizando la señal de salida del cruce por cero tenemos lo siguiente:

Imagen 12 señal de salida del cruce por cero.

Imagen 13 Señal de cruce por cero.

En (Imagen 13) e puede apreciar el tiempo que la señal tarda en legar al pico (5V) este equivale aproximadamente a 1.2ms dado que cada cuadro esta dividido en 5 partes y la division por cuadro es de 2ms por tanto cada punto equivale a 0.4ms dando el total de los 1.2ms mencionados. Sabiendo que las interrupciones en el PIC18F4550 detectan el 1 logico a partir de los 0.8V (Imagen 10) la interrupcion se ejecutara instantes antes del cruce por cero. Por tanto analizando (señal en color azul) de la (Imagen 14)se puede calcular visualmente en que momento se activara la interrupcion.

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Imagen 14 Onda rectificada (amarillo) y señal de cruce por cero (azul).

Imagen 15 señal de cruce por cero (azul).

Como se puede apreciar en la (Imagen 15), dado que la división por cuadro es de 2V y 2ms tenemos por inspección que aproximadamente la interrupción se dará 0.8 ms antes del cruce por cero al llegar a los 0.8V aproximadamente.

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Et a p a d e p ot e nc i a c on e l us o d e l t i r i s t o r b i di r e cci ona l La elección del tiristor adecuado para la práctica es el Triac, esto debido a que permite el flujo de corriente en ambos sentidos indispensable para controlar la energía entregada al motor y poder tener control y uso de ambos ciclos de la señal alterna. El Triac es en esencia la conexión de dos SCR en paralelo, pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta (Imagen 16).

Imagen 16 Símbolo esquemático y estructura interna de un triac.

La etapa de potencia es muy importante ya que el triac debe elegirse adecuadamente para mantener la irrupción adecuada de la carga lámparas incandescentes a veces pueden alcanzar un pico corriente conocida como "flashover" que puede ser extremadamente alto, por lo tanto el triac debe estar protegido.

Imagen 17 etapa de potencia para triac.

Por un circuito RC para proteger los auto-disparos hacia el triac que pueden generar las cargas inductivas (3 resistores y 1 capacitor) imagen 17. Donde se calcularon las resistencias de la siguiente manera: Se encuentra el mayor valor de R2 disponible, teniendo en cuenta los requisitos de Triac Gate. Si se usa un Triac Gate sensible, como 2N6071B 𝐼𝐺𝑇 = 15 𝑚𝐴 @ 40° 𝐶 el Triac se activará cuando 𝑉𝑖𝑛 ≤ 40 𝑉 𝑅1 + 𝑅2 ≈

𝑉𝑖𝑛 40 = 2.3 𝐾Ω = 𝐼𝐺𝑇 0.015

Ecuación 3 Obtención de resistencia de 2.4 K

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.

Primero se debe elegir R1 para limitarla corriente de descarga máxima del condensador a través de MOC3011 esta resistencia está dada: 𝑅1 =

𝑉𝑃𝐾 180 𝑉 = = 180 Ω 𝐼𝑀𝐴𝑋 1.2 𝐴

Ecuación 4 Obtención de resistencia 180 Ohms.

Cuando las condiciones de entrada están bien controladas, como por ejemplo cuando se conduce el MOC3011 desde la puerta TTL, DTL o HTL, solo se necesita una sola resistencia para interconectar la puerta con el LED de entrada del MOC3011. Esta resistencia se debe elegir para establecer la corriente en el LED para que sea un mínimo de 10 mA pero no más de 50 mA. 15 mA es un valor adecuado, que permite una degradación considerable del LED con el tiempo y asegura una larga vida útil para el acoplador. Las corrientes superiores a 15 mA no mejoran el rendimiento y pueden acelerar el proceso de envejecimiento inherente a los LED. Asumiendo que la caída directa sea 1.5 v a 15 mA permite una fórmula simple para calcular la resistencia de entrada. 𝑅𝑖 =

(𝑉𝐶𝐶 − 15) 0.015

= 330 Ω

Ecuación 5 Obtención de resistencia 330 Ohms.

El bt13x puede auto-sostenerse con un pulso que se envía desde el pic, la corriente necesaria para el auto sostenimiento del triac es de aproximadamente 100mA, la cual la suministra nuestro MOC. Para nuestro manejo de cargas de potencia utilizamos un Triac sensible al disparo donde el gate pudiera ser operado con la corriente que el MOC, y nuestro armado quedo de la siguiente manera (imagen 18).

Imagen 18 Etapa de potencia para triac, físico.

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Resultados. Los resultados a continuación se mostrarán por etapas como en el apartado anterior:

Et a pa de r e ct i f i ca ci ón de on da com pl e t a Al implementar la etapa de rectificación (Imagen 2) en físico (armado en protoboard) se obtuvo la siguiente grafica en el osciloscopio, cabe señalar que para este punto ya no se utilizó un transformador, si no el voltaje directo (127Vpp) ver imagen (Imagen 19).

Imagen 18 onda rectificada con puente de diodos.

Imagen 19 puente rectificador montado en protoboard.

Et a pa de c r uc e p or ce r o 14

Seguido de la etapa de rectificación se conectó la etapa de cruce por cero ver (Imagen 19), que como su nombre indica el cruce detector de cruce por cero 'censa' cuando se produce el cambio de polaridad en la red eléctrica, que como se sabe es una señal senoidal que cambia de polaridad a razón de 60 ciclos por segundo.

Imagen 20 cruce por cero obtenido.

Al tomar lectura de esta señal junto con la de rectificación se observó que nuestro cruce por cero está funcionando correctamente (Imagen 21).

Imagen 21 cruce por cero con señal rectificada.

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E t a p a d e c o n t r o l d i g i t a l m e d i a n t e e l m i c r o c o n t r o l a d o r (𝑷𝑰𝑪𝟏𝟖𝑭𝟒𝟓𝟓𝟎) Después de la etapa de cruce por cero se utilizó un micocontrolador (Pic18f4550) para detectarlo y con este generar el pulso que se mandara al (moc30120)

Imagen 22 pines utilizados en el pic para detectar el cruce por cero y generar el pulso.

Dicho esto, después de conectar el circuito en la protoboard se procedió a tomar lectura de la señal de cruce por cero y de la del pulso generado por el microcontrolador (Pic18f4550), al tomar lectura de estas se observó que no estaban acopladas (Imagen 23)

Imagen 23 Desface cruce por cero y pulso

Dicho a esto se procedió a tomar lectura del ángulo máximo (Imagen 25) y mínimo (Imagen 24) los cuales fueron 0° y 150°, este ángulo máximo generado fue a medida de que no se pudo llegar a los 180° deseados y a continuación mostramos las lecturas tomadas con el osciloscopio.

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Imagen 24 Lectura tomada para el ángulo mínimo (0°)

Imagen 25 Lectura tomada para el ángulo máximo (150°).

Como se puede observar en la (Imagen 25) al llegar a los 150° se acoplaban nuestras señales de cruce por cero y el pulso generado por el microcontrolador (Pic18f4550), y al sobrepasar los 150° se volvía a tener un disparo del triac, este problema se ocasiono porque al integrar un lcd16x2 al proyecto y al programarlo esto generaba un retardo que afectaba a nuestro disparo, como comenta el profesor (Teran, 2019) “esto sucede porque al programar el lcd16x2 las variables utilizadas para programar este elemento generan su propio ciclo maquina” es decir cada variable utilizada en el código para la programación del el microcontrolador (Pic18f4550) tiene su propio tiempo al correr el código.

Et a pa de p ot e nc i a co n e l us o de l t i r i s t or b i di r e c ci ona l Por último, al desarrollar la etapa de potencia obtuvimos nuestros disparos del ángulo teniendo los siguientes resultados.

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Imagen 26 Disparo en ángulo 0°

Como se observa en la (Imagen 26) el disparo de nuestro TRIAC está en francos negativos y positivos trabajando como el interruptor, activando la compuerta y funcionando sus ánodos.

Imagen 27disparo de ángulo en 150°

En la (Imagen 27) se lee nuestro disparo en el ángulo máximo referente a 151° por los problemas e inconvenientes ya mencionados anteriormente.

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Imagen 28 Desfase del ángulo de 151° a 180°

En esta última (Imagen 28) se capturó el desfase del disparo que nos arrojaba después del ángulo máximo que hicimos referencia, teniendo el disparo en este rango de ángulo.

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Anexo 1 C ó di g o u ti l i z a d o p a r a e l m i c r oc ont r o l a d or (p i c 18f 455 0) Archivo .c 1. // proyecto de potencia código en ccs compiler 2. #include 3. #define LCD_ENABLE_PIN PIN_D6 4. #define LCD_RS_PIN PIN_D4 5. #define LCD_RW_PIN PIN_D5 6. #define LCD_DATA4 PIN_D0 7. #define LCD_DATA5 PIN_D1 8. #define LCD_DATA6 PIN_D2 9. #define LCD_DATA7 PIN_D3 10. #include // libreria pata lcd 11. 12. float potValue; // variables utilizadads 13. 14. int32 angulo; 15. int32 retardo; 16. #INT_EXT void EXT_isr(void) 17. { 18. 19. retardo=potValue*8.3; // calculo de retardo 20. delay_us(retardo); 21. output_high(PIN_B7); 22. delay_us(30); 23. output_low(PIN_B7); 24. } 25. 26. void main() 27. { // iniciacion del puerto adc 28. set_adc_channel(0); 29. setup_adc_ports(AN0_TO_AN3); 30. setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL|ADC_TAD_MUL_0); 31. // declaracion de interrupciones 32. enable_interrupts(INT_EXT_L2H); 33. enable_interrupts(GLOBAL); 34. //inicia el lcd 35. lcd_init(); 36. set_adc_channel(PIN_A1); 37. delay_ms(2000); 38. for(int i;i...