Diseño e implementación de un regulador de voltaje trifásico microcontrolado de 13 pasos tipo Booster Erika Pimentel Ospina Leidy Lorena Ruiz Ovalle UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA EN CONTROL BOGOTÁ D.C. 2018
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Diseño e implementación de un regulador de voltaje trifásico microcontrolado de 13
pasos tipo Booster
Erika Pimentel Ospina Leidy Lorena Ruiz Ovalle
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA EN CONTROL
BOGOTÁ D.C.
2018
ii
Diseño e implementación de un regulador de voltaje trifásico microcontrolado de
13 pasos tipo Booster
Erika Pimentel Ospina Leidy Lorena Ruiz Ovalle
Trabajo de grado para optar al título profesional de: Ingeniera en Control
Director Ing. Eduardo Alberto Delgadillo Gómez
Monografía de grado
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA EN CONTROL
BOGOTÁ D.C.
2018
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Nota de aceptación
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Jurado 1
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Jurado 2
iv
Dedicatoria
A Dios por su infinito amor porque me fortaleces cada día y no permites que
desfallezca gracias por formarme como persona y por permitirme culminar mi carrera.
A mis padres Rosa Yineth Ospina Giraldo y Adolfo Pimentel Rivera por su amor,
apoyo, entrega, dedicación y esfuerzo incondicional porque siempre han confiado y
creído en mí, gracias por educarme y acompañarme en cada decisión tomada.
A mi familia por sus consejos, amor y compañía, especialmente a mis abuelos
Aceneth, Cecilia, Ligia y Rodrigo, a mis tíos Faiber, Juan, Cenaida, Yeidi, Wilson y
Mauricio.
A Frederick Bareño por su compañía, cariño y comprensión porque me motivas y
ayudas a mejorar constantemente gracias por apoyarme y animarme cada día, también
quiero agradecer a tus padres por ser tan especiales y detallistas conmigo.
A mis amigos y compañeros Yeferson, Ivan y Lorena por su ayuda, cariño,
entusiasmo y compañía.
A cada persona que ha contribuido en mi formación personal y académica.
Erika Pimentel Ospina.
v
Dedicatoria
Doy gracias a Dios, ya que por su infinito amor he logrado llegar hasta esta etapa
y culminar mi carrera, por fortalecerme en los momentos en que creí desfallecer,
apoyarme y enseñarme que a pesar de las dificultades que tenemos en la vida, no hay
que perder la esperanza.
Doy gracias a Dios por mis padres, Mario Alfonso Ruiz Barreto y María Leonor
Ovalle Pineda por darme la vida, formarme con valores, principios, amor, entrega,
dedicación, esfuerzo y apoyo incondicional, los cuales han sido los pilares en mi vida
para poder cumplir cada una de mis metas.
Doy gracias a Dios por mi compañero Héctor Rodríguez, por comprenderme,
escucharme, apoyarme, valorar mi esfuerzo, darme su amor, estar conmigo en
momentos buenos y malos, ser mi amigo y cómplice.
Gracias Jorge Viteri, Tatiana Suarez, Maricel Saenz, Tina Restrepo, Dora Barrero,
Amparo Peralta, Yeferson Yate y Gilberto León, por apoyarme y compartir su amistad.
Los aprecio muchísimo.
Quiero ofrecer agradecimientos a mi abuelita Candelaria, a mis tías Inés y Yanet, a
mi tío Milton, a mis primas Heidy y Xiomara, a mis primos Luis Carlos y Javier, a mis
compañeros de universidad, a mis familiares que, aunque no estén físicamente me
vi
cuidan y guían desde el cielo para que todo salga bien, demás familiares y amigos, a
todos aquellos que me prestaron su ayuda, y aportaron de la mejor manera a mi
formación profesional.
Quiero ofrecer mis más sinceros agradecimientos a la Universidad Distrital
Francisco José De Caldas, a nuestro tutor Alberto Delgadillo, a mi compañera de trabajo
de Grado Erika Pimentel por su linda amistad y apoyo incondicional, a mi mejor amigo
Iván Suarez la persona que un día, sin premeditarlo, se cruzó en mi camino y hoy deja
una huella imborrable en mi paso por la universidad, fue una de las personas que vio en
mi lo invisible, y me enseño que por más grandes que fuesen las dificultades, era posible
llegar a la meta, le deseo muchos éxitos y felicidad eterna.
Leidy Lorena Ruiz Ovalle.
vii
Agradecimientos
A la Universidad Distrital Francisco José De Caldas.
A los profesores Eduardo Alberto Delgadillo y Jorge Eduardo Porras Bohada por
su apoyo y confianza en la ejecución de este proyecto.
Al ingeniero Gilberto León Estupiñan por compartir sus conocimientos, ser una
guía desinteresada y destinar tiempo en nuestro proyecto.
A nuestros amigos y compañeros Yeferson Yate Monrroy e Iván Leonardo Suarez
Cruz por su apoyo incondicional.
viii
Resumen
Los procesos de control y automatización en la industria se ven afectados
frecuentemente por la inestabilidad de la tensión debido a las fluctuaciones en la amplitud
de la onda, causando daño a centros de cálculo, periféricos informáticos, equipos de
comunicaciones, equipos de laboratorio, etc., por esta razón se construye un regulador
de voltaje trifásico microcontrolado tipo Booster de 13 pasos, el cual permite obtener un
voltaje de salida requerido.
El proyecto consiste en un dispositivo compacto, donde se introdujo una serie de circuitos
y una etapa de potencia que permite hacer la regulación del voltaje usando un control
retroalimentado y un entorno grafico (LCD) en el que se puedan observar los niveles de
voltaje de entrada, salida y las alarmas del sistema.
Palabras Clave: Regulador de voltaje, tipo Booster, transformador, autotransformador.
ix
Abstract
The processes of control and automation in the industry are frequently affected
by the instability of the voltage due to fluctuations in the amplitude of the wave, causing
damage to computing centers, computer peripherals, communications equipment,
laboratory equipment, etc., for this reason, a 13 step microcontrolled three-phase voltage
regulator is built, which allows to obtain a required output voltage.
The project consists of a compact device, which introduced a series of circuits and a
power stage that allows to regulate the voltage using a feedback control and a graphic
environment (LCD) in which the levels of input voltage can be observed, output and
system alarms.
Keywords: Voltage regulator, Booster type, transformer, autotransformer.
x
Tabla de Contenido
Nota de aceptación ......................................................................................................................... iii
Dedicatoria ..................................................................................................................................... iv
Agradecimientos ........................................................................................................................... vii
Resumen ....................................................................................................................................... viii
Abstract .......................................................................................................................................... ix
1. Introducción ................................................................................................................................ 1
2. Planteamiento del problema ........................................................................................................ 2
3. Justificación ................................................................................................................................ 3
4. Objetivos ..................................................................................................................................... 4
4.1 General .................................................................................................................................. 4
4.2 Específicos ............................................................................................................................ 4
5. Estado del arte ............................................................................................................................. 5
5.1 Alimentador de prueba de cuatro pasos con reguladores de voltaje. .................................... 5
5.2 Un regulador de voltaje integrado predictivo y estabilizador de sistema de potencia. ......... 5
5.3 Control adaptativo fraccionario optimizado por algoritmos genéticos, aplicado a
reguladores automáticos de voltaje. ............................................................................................ 6
5.4 Estabilizador de tensión de cuatro pasos tipo Booster. ......................................................... 7
5.5 Un regulador de voltaje para la mejora de la calidad de energía en redes de distribución de
bajo voltaje .................................................................................................................................. 7
5.6 Control distribuido de dispositivos reguladores de voltaje en presencia de alta penetración
fotovoltaica para mitigar los problemas de velocidad de rampa................................................. 8
5.7 Un regulador de voltaje dinámico por pasos basado en transformadores en serie de
potencia reducida ........................................................................................................................ 9
5.8 Modelado y análisis de reguladores de voltaje de paso abierto para redes de distribución no
balanceadas con generación de energía fotovoltaica. ............................................................... 10
5.9 El modelado y la aplicación de reguladores de voltaje de pasos. ....................................... 11
5.10 Diseño de regulador de voltaje dinámico por pasos para mejorar la calidad de la energía.
................................................................................................................................................... 13
6. Marco Teórico ........................................................................................................................... 14
6.1 Reguladores de voltaje. ....................................................................................................... 14
6.2 Transformadores ................................................................................................................. 15
6.3 Potencia en los transformadores ......................................................................................... 18
6.4 Autotransformador .............................................................................................................. 18
6.5 Formaleta ............................................................................................................................ 19
6.6 Papel parafinado.................................................................................................................. 20
6.7 Núcleo ................................................................................................................................. 20
6.8 Control retroalimentado ...................................................................................................... 21
6.9 Regulación tipo Booster. ..................................................................................................... 22
6.10 Regulación por pasos. ....................................................................................................... 22
6.11 Triac. ................................................................................................................................. 23
xi
7. Metodología .............................................................................................................................. 26
7.1 Etapa de diseño de los transformadores, autotransformadores y fuentes de alimentación. 27
7.1.1 Diseño del transformador ............................................................................................. 28
7.1.2 Diseño del autotransformador. ..................................................................................... 30
7.1.3 Diseño de las fuentes. .................................................................................................. 33
7.2 Etapa de potencia ................................................................................................................ 37
7.2.1 Módulo Fuente de 5V negativos. ................................................................................. 37
7.2.2 Módulo de disparo de los triacs ................................................................................... 38
7.2.3 Módulo alarma de fusible ............................................................................................ 39
7.2.4 Módulo de voltaje de salida del regulador ................................................................... 40
7.2.5 Módulo de voltaje de entrada del regulador ................................................................ 41
7.2.6 Módulo de cruce por cero ............................................................................................ 41
7.2.7 Módulo calibración alarmas alto y bajo ....................................................................... 43
7.3 Etapa regulador tipo Booster de 13 pasos por fase. ............................................................ 45
7.4 Etapa de Control ................................................................................................................. 47
7.5 Etapa de Visualización ........................................................................................................ 51
7.6 Diseño de PCB’S. ............................................................................................................... 51
8. Resultados ................................................................................................................................. 53
9. Mejoras a futuro ........................................................................................................................ 55
10. Conclusiones ........................................................................................................................... 56
11. Lista de referencias ................................................................................................................. 57
12. Anexos .................................................................................................................................... 58
12.1 Anexo 1 ............................................................................................................................. 58
12.2 Anexo 2 ............................................................................................................................. 60
xii
Índice de Figuras
Figura 1 Red de distribución de bajo voltaje bajo análisis con el regulador de voltaje. [5] ........... 8
Figura 2 Regulador de voltaje con transformador multi-tap. [7] .................................................. 10
Figura 3 Regulador de voltaje de pasos Tipo B. [9] ..................................................................... 12
Figura 4 Transformador. [12] ....................................................................................................... 16
Figura 5 Esquema formaleta. ........................................................................................................ 19
Figura 6 Laminacion E & I. .......................................................................................................... 20
Figura 7 Diagrama de bloques de un sistema de control retroalimentado. [16] ........................... 21
Figura 8 Símbolo del Triac y características de los cuadrantes. [17] ........................................... 24
Figura 9 Esquema etapas regulador de voltaje ............................................................................. 26
Figura 10 Programa para el calculo de tranformadores y auto Tranformadores .......................... 33
Figura 11 Programa para el cálculo de transformadores. ............................................................. 36
Figura 12 Módulo Fuente de -5V.................................................................................................. 38
Figura 13 Módulo de disparo de los triacs. ................................................................................... 39
Figura 14 Módulo alarma de fusible. ............................................................................................ 40
Figura 15 Módulo de voltaje de salida del regulador. .................................................................. 40
Figura 16 Módulo de voltaje de entrada del regulador. ................................................................ 41
Figura 17 Módulo de cruce por cero. ............................................................................................ 42
Figura 18 Señales cruce por cero donde la señal cuadrada A, se genera al medir entre Gate del
Q8040 y GND del LM7905 y la señal sinusoidal B, se genera al medir entre MT1 y MT2
del triac.................................................................................................................................. 43
Figura 19 Módulo calibración alarmas alto y bajo ....................................................................... 44
Figura 20 Visualización alarmas alto y bajo. ................................................................................ 45
Figura 21 Esquema regulador tipo Booster de 13 pasos. .............................................................. 45
Figura 22 Diagrama de bloques del sistema de retroalimentación implementado. ...................... 47
Figura 23 Diagrama de flujo para la lógica del microcontrolador en la selección de pasos del
regulador ............................................................................................................................... 50
Figura 24 Circuito impreso Tarjeta de Control. ............................................................................ 52
Figura 25 Circuito impreso Tarjeta visualización. ........................................................................ 52
Figura 26 ∆ de voltaje generado por la entrada y salida del regulador. ........................................ 55
Índice de Tablas Tabla 1 Cuadrantes de polarización del Triac............................................................................... 25
Tabla 2 Elección del calibre del alambre para el transformador. Revisar Anexo 1 ...................... 29
Tabla 3 Elección del calibre del alambre para el autotransformador. ........................................... 31
Tabla 4 Elección del calibre del alambre para las fuentes. Revisar Anexo 1 ............................... 34
Tabla 5 Medidas laminación E & I. .............................................................................................. 37
Tabla 6 Descripción pasos del regulador y voltajes del transformador y del autotransformador. 46
Tabla 7 Rangos de voltaje de entrada y de salida ......................................................................... 48
1
1. Introducción
Son muchos los procesos industriales donde la estabilidad de la tensión es
indispensable: desde un amplio número de aplicaciones donde los procesadores de
control numérico y los autómatas son los encargados de garantizar el resultado final,
hasta todo tipo de procesos de producción como tornos industriales, maquinara de
producción de piezas, aires acondicionados y equipos de refrigeración, etc. Por
estas razones, en el entorno eléctrico actual, saturado y altamente inestable donde
las fluctuaciones en la tensión de suministro son más que frecuentes, se utilizan
reguladores de voltaje, los cuales desempeñan un papel importante a la hora de
garantizar una tensión estable a aquellas cargas más sensibles a estas variaciones.
Partiendo de lo anterior se desarrolló un prototipo de regulador de voltaje
trifásico capaz de cumplir estas necesidades, haciendo uso de tecnologías como
el microcontrolador Freescale MC9S08PA16 y para la etapa de potencia
dispositivos de estado sólido (Triacs Q8040). Este prototipo está dividido en cinco
etapas fundamentales, la primera etapa consta del diseño de los transformadores
y autotransformadores con una potencia de 0.7KVA por fase, la segunda etapa
consiste en el diseño de la etapa de potencia donde se utilizaron los siguientes
módulos; fuente de 5 voltios negativos, disparo de los triacs, alarma de fusible,
voltaje de salida del regulador, voltaje de entrada del regulador, cruce por cero y
calibración de alarmas alto y bajo voltaje, la tercera etapa describe el esquema de
regulador tipo Booster de 13 pasos donde se acoplan la primera y la segunda
etapa del prototipo, la cuarta etapa explica el control retroalimentado
implementado y la relación con la etapa anterior y finalmente la quinta etapa es la
2 visualización donde se muestran en una LCD los voltajes de entrada, salida y
alarmas de alto, bajo voltaje.
2. Planteamiento del problema
Los sistemas eléctricos de potencia son utilizados para la mayoría de
industrias y en la actualidad a pesar de la revolución energética, estos se ven
afectados por los cambios bruscos en amplitud y distintos fenómenos que
distorsionan la forma de onda del voltaje, causando graves daños en la maquinaria
por no saber controlarlas, reducirlas o eliminarlas de forma segura por esta razón
es necesario suministrar energía de forma eficiente y segura, no sólo a procesos
de precisión y automatizados sino también a aplicaciones de calidad.
De acuerdo a esto se desarrolló un prototipo de regulador de voltaje trifásico
microcontrolado de 13 pasos tipo Booster de 2KVA capaz de mantener a la salida
un voltaje regulado de 220𝑉 ± 5%, con un voltaje de entrada de 220𝑉 ± 30% ya
sea para cargas resistivas e inductivas.
3
3. Justificación
En el país actualmente existen tres empresas fabricantes de reguladores de
voltaje y múltiples distribuidores, estos reguladores se elaboran para cargas no
inductivas como centros de cómputo, centros administrativos y comerciales, cuando
se utilizan dichos reguladores en máquinas industriales donde las cargas son
netamente inductivas, estos tienen un mal funcionamiento llegando hasta el daño
total del regulador.
Por esta razón este proyecto busca implementar un regulador que no tenga
estas falencias y funcione para todo tipo de carga (inductiva y no inductiva),
brindando una solución óptima al mercado industria
4
4. Objetivos
4.1 General
Diseñar e implementar un prototipo de regulador de voltaje trifásico
microcontrolado de 13 pasos tipo Booster.
4.2 Específicos
Diseñar y construir los transformadores y autotransformadores para el
prototipo de regulador de 2KVA trifásico.
Diseñar e implementar la etapa de potencia del prototipo de regulador de
voltaje de 13 pasos tipo Booster con dispositivos de estado sólido.
Implementar un control retroalimentado para mantener el voltaje de salida en
220V±5%, siendo el voltaje de entrada 220V±30% y visualizar en una pantalla de
cristal líquido los voltajes de entrada, salida y alarmas del sistema.
5
5. Estado del arte
Se realizará una breve descripción de los reguladores de voltaje existentes,
dando a conocer la importancia y los avances tecnológicos de este tipo de
dispositivos.
5.1 Alimentador de prueba de cuatro pasos con reguladores de voltaje.
Este trabajo trata del desarrollo de un modelo de regulador de voltaje por
pasos, general, exacto y estandarizado considerando todas las configuraciones
posibles y un sistema de prueba de cuatro pasos para probar y evaluar las
conexiones trifásicas del regulador de voltaje por pasos.
Implementado un modelo para la inclusión, prueba y validación de reguladores de
voltaje por pasos en un alimentador de prueba, este sistema de prueba estará
disponible para evaluar y comparar programas o algoritmos que intenten incluir
diferentes configuraciones de reguladores de voltaje por pasos.
La formulación se establece para todos los reguladores de voltaje por pasos
trifásicos; es decir, conexiones en estrella, en triángulo cerrado y en triángulo
abierto. Luego, todos estos modelos se incluyen en un alimentador de prueba de
cuatro pasos para obtener varias soluciones de flujo de potencia. [1]
5.2 Un regulador de voltaje integrado predictivo y estabilizador de sistema de
potencia.
Este artículo presenta un regulador de voltaje integrado y un estabilizador de
sistema de potencia basado en la predicción de un paso adelante. El esquema de
6
control predictivo de parámetros fijos se muestra capaz de proporcionar una
respuesta de voltaje y una contribución consistentemente buena a la amortiguación
del sistema en un amplio rango de condiciones de operación en la configuración del
sistema.
Este proyecto fue implementado en los turbo-alternadores los cuales necesitan
de los reguladores de voltaje automáticos (AVR) para el control predictivo de
parámetros, proporcionando una buena regulación de voltaje y una rápida
recuperación de voltaje después de las perturbaciones del sistema. [2]
5.3 Control adaptativo fraccionario optimizado por algoritmos genéticos,
aplicado a reguladores automáticos de voltaje.
En este trabajo se presenta la técnica del control adaptable de orden
fraccionario por modelo de referencia (CAOFMR), aplicada a los reguladores
automáticos de voltaje (RAV), debido a que los sistemas eléctricos de potencia
(SEP) requieren dispositivos que mantengan y garanticen su estabilidad incluso en
condiciones extremas de trabajo y requieren tiempos de respuesta cada vez más
rápidos. Enfocándose en el ajuste de las ganancias adaptables y los órdenes de
derivación de las leyes de ajuste del controlador CAOFMR, determinados por la
minimización de una función criterio definida para el modelo simplificado del RAV,
mediante la utilización de la técnica de optimización de algoritmos genéticos (AG).
[3]
7
5.4 Estabilizador de tensión de cuatro pasos tipo Booster.
Este artículo fue aprobado por la Secretaría de Ciencia y Técnica de la UNNE,
titulado “Aplicaciones Industriales basadas en Microcontroladores”. El cual consiste
en el diseño e implementación de un dispositivo para la estabilización de la tensión
de línea para una carga estimada en 5 KVA. El sistema está basado en el empleo
de un transformador de potencia (TP) con un bobinado secundario en serie con la
carga conduciendo permanentemente la corriente nominal y el primario excitado con
una corriente en forma aditiva o sustractiva desde un autotransformador conectado
en paralelo con la carga, lo que se traduce en una compensación de la variación de
tensión de línea. Las corrientes que circulan por el autotransformador y el primario
del TP son lo suficientemente bajas como para ser controladas con relés. Este
esquema permite disminuir el consumo del sistema y facilita el diseño de la etapa
de control. [4]
5.5 Un regulador de voltaje para la mejora de la calidad de energía en redes
de distribución de bajo voltaje
Este artículo presenta un regulador de voltaje basado en el compensador
estático de distribución (DSTATCOM) con distribución de voltaje para redes de
distribución de bajo voltaje. El regulador de voltaje está diseñado para cumplir
temporalmente el código de la red eléctrica, posponiendo las inversiones no
planificadas, mientras que una solución definitiva podría planificarse para resolver
problemas de regulación. La etapa de potencia está compuesta por un inversor
trifásico de fuente de tensión de cuatro hilos y un filtro de paso bajo de segundo
orden. La estrategia de control tiene tres bucles de tensión de salida con
8
amortiguación activa y dos bucles de tensión de bus de CC. Además, se incluyen
dos bucles a la estrategia de control propuesta: el concepto de mínimo seguimiento
del punto de potencia (mPPT) y el bucle de frecuencia. El mPPT permite que el
regulador de voltaje funcione en el punto de potencia mínima, evitando la circulación
de compensación reactiva innecesaria. El bucle de frecuencia permite que el
regulador de voltaje sea independiente de la información de voltaje de la red,
especialmente el ángulo de la red, utilizando solo la información disponible en el
punto de conexión común. [5]
Figura 1 Red de distribución de bajo voltaje bajo análisis con el regulador de
voltaje. [5]
5.6 Control distribuido de dispositivos reguladores de voltaje en presencia
de alta penetración fotovoltaica para mitigar los problemas de velocidad de
rampa.
Se propone un esquema de control de voltaje distribuido en una red de
distribución activa en presencia de una planta fotovoltaica (PV) a gran escala para
9
mitigar los problemas de alta tasa de incremento. La producción de energía de la
planta necesita ser contrarrestada con la ayuda de dispositivos de regulación en el
sistema de distribución. La mayoría de los reguladores de voltaje son de naturaleza
pasiva y tardan varios minutos en responder a la subida y caída rápida de la potencia
que resulta de la variabilidad de la radiación solar. Cuando la potencia activa cambia
rápidamente después de un evento de sombreado que resulta de las nubes que
pasan sobre los paneles, causa severas fluctuaciones en los voltajes; a veces
conduce a situaciones de sobretensión durante un período de tiempo, por esto es
necesario emplear múltiples dispositivos de regulación de tensión, tales como
cambiadores de tomas en carga, reguladores de voltaje por pasos (SVR) y bancos
de condensadores conmutados que se controlan mediante un esquema de gestión
de coordinación centralizado o distribuido. [6]
5.7 Un regulador de voltaje dinámico por pasos basado en transformadores
en serie de potencia reducida
Este documento trata sobre un regulador de voltaje dinámico diseñado para
proteger la carga contra los efectos de transitorios de voltaje, debido a variaciones
de tensión de corta duración y perturbaciones presentes en la red eléctrica, que son
las responsables de paradas no planificadas en la industria. La idea es usar una
estructura simple basada en inserción de transformadores en serie de potencia
reducida entre la red y la carga, lo cual hace posible el uso de voltajes de red reales
para compensar y mitigar las perturbaciones. Se observa que la solución propuesta
puede compensar o mitigar por completo las fallas que ocurren con mayor
10
frecuencia en los sistemas de potencia. Los resultados experimentales obtenidos en
un prototipo de 5 kVA demuestran la viabilidad de la solución propuesta. [7]
Figura 2 Regulador de voltaje con transformador multi-tap. [7]
5.8 Modelado y análisis de reguladores de voltaje de paso abierto para redes
de distribución no balanceadas con generación de energía fotovoltaica.
En este documento, se resuelven los problemas relacionados con la
evaluación de la integración del sistema fotovoltaico del campus de Gatton de la
Universidad de Queensland (UQ) en Gatton, que implica el Regulador de voltaje de
paso abierto (SVR), el modelado preciso de dicho componente de red se ha vuelto
importante especialmente con la rápida proliferación de plantas fotovoltaicas (PV),
y hay un fuerte requisito de evaluar los impactos de integración de PV en los
sistemas de distribución.
11
El modelo de la configuración Open-Delta SVR se define como los auto-
transformadores ideales con relaciones de derivación que son escalares simples
entre los voltajes de fase a fase de entrada y salida (o corrientes de línea). Como
resultado, el modelo no puede proporcionar una relación aparente entre los voltajes
y las corrientes y, en consecuencia, es difícil formar una matriz de admitancia de
bus de un SVR Open-Delta para algoritmos de flujo de carga, para ello se
implementa un modelo completo de Open-Delta SVR con diferentes modelos
neutrales. Luego, estos modelos se implementan en el algoritmo de flujo de carga
trifásico (tres hilos / cuatro hilos) del Método de Inyección de Corriente (CIM)
programado en Matlab. Se examinan varias condiciones de red registradas, y más
tarde estos resultados se comparan con los registros para la validación del modelo.
Finalmente, se establece un enfoque para la estimación del cambio de tap remoto y
luego se valida con los datos de la medición de campo. [8]
5.9 El modelado y la aplicación de reguladores de voltaje de pasos.
Este documento aborda el modelado de los reguladores de voltaje de pasos y
luego la aplicación de reguladores de voltaje de paso para controlar el voltaje del
alimentador, estos reguladores buscan suministrar a cada cliente un voltaje que esté
dentro de los estándares ANSI que es un requisito básico de un alimentador de
distribución. Como la carga en un alimentador varía, el voltaje suministrado a cada
cliente también variará. Se deben implementar algunos medios para regular los
voltajes del cliente. Los condensadores de derivación conmutados y los reguladores
12
de voltaje de pasos son los dos medios más comunes utilizados para regular los
voltajes.
Un regulador de voltaje por pasos posee un autotransformador y un
mecanismo de cambio de tomas de carga. El cambio de voltaje se obtiene al cambiar
los taps en el devanado en serie del autotransformador. La posición de la toma está
controlada por el circuito compensador. Los reguladores de paso estándar contienen
un interruptor de inversión que permite un rango de regulador de ± 10%,
generalmente en 16 pasos hacia arriba y 16 pasos hacia abajo. Esto equivale a un
5/8% cambio por paso o cambio de 0,75 voltios por paso en una base de 120 voltios.
Los reguladores de paso se pueden conectar en una conexión Tipo A o Tipo B según
el estándar ANSI / IEEE C57.15-1986.[9]
Figura 3 Regulador de voltaje de pasos Tipo B. [9]
13
5.10 Diseño de regulador de voltaje dinámico por pasos para mejorar la
calidad de la energía.
En este documento se presenta el diseño del regulador de voltaje dinámico
gradual con el propósito de restaurar el voltaje de la carga sin incurrir en un
desplazamiento excesivo del ángulo de fase, seguido por un análisis detallado del
sistema de control del regulador, por el cual el objetivo del diseño es únicamente la
restauración de la magnitud del voltaje. Este dispositivo de potencia personalizado
sin ninguna capacidad significativa de almacenamiento de energía, describe el
proceso de restauración de voltaje por parte del regulador, el cual depende de la
alimentación de un sistema de suministro externo. Como consecuencia, el análisis
muestra que existen límites inherentes que dependen de, entre otros factores, del
nivel de falla de fuente relativo al nivel de carga, factor de potencia de carga y del
grado de los criterios de restauración especificados impuestos al dispositivo para
lograr una restauración de voltaje exitosa. Los resultados obtenidos forman la base
de un procedimiento de diseño propuesto, a partir del cual se pueden realizar
diseños prácticos del S-DVR. [10]
14
6. Marco Teórico
En el desarrollo de este proyecto es importante tener en cuenta los
conceptos de los elementos que se utilizan para la implementación del regulador
de voltaje.
6.1 Reguladores de voltaje.
Son aquellos equipos que proporcionan una tensión estable para cumplir con
los requisitos de ciertos aparatos tales como: computadoras, equipo médico, equipo
de telecomunicaciones y otros equipos electrónicos comerciales e industriales,
corrigiendo automáticamente las variaciones de la línea de alimentación C.A al
tiempo que limitan los picos de tensión utilizando para ello un sofisticado sistema de
supresor de transitorios.
Los reguladores deben utilizarse donde las variaciones de tensión de la línea
sean amplias o estén sujetas a ruido eléctrico. Al utilizar un regulador debe
asegurarse que la línea de tierra venga directamente de la subestación eléctrica o
del tablero principal de la edificación. A diferencia de los acondicionadores, los
reguladores de tensión no poseen un transformador puro de aislamiento, su uso
principal está en estabilizar las variaciones de la tensión de la red eléctrica. Se
pueden tener varias versiones de reguladores monofásicos, bifásicos o trifásicos.
[11]
15
6.2 Transformadores
Los transformadores son máquinas estáticas con dos devanados de corriente
alterna arrollados sobre un núcleo magnético. El devanado por donde entra energía
al transformador se denomina primario y el devanado por donde sale energía hacia
las cargas que son alimentadas por el transformador se denomina secundario. [12]
El devanado primario tiene N1 espiras y el secundario tiene N2 espiras, el circuito
magnético de esta máquina lo constituye un núcleo magnético con entrehierros y de
esta forma se reducen las pérdidas magnéticas. Al conectar una tensión alterna V1
al primario, circula una corriente por él que genera un flujo alterno en el núcleo
magnético. Este flujo magnético, induce en el secundario una fuerza electromotriz
E2 que da lugar a una tensión V2 en los bornes de este devanado. De esta manera
se consigue transformar una tensión alterna de valor eficaz V1 en otra de valor eficaz
V2 y de la misma frecuencia.
El principio de operación de dos devanados es donde Vp es el voltaje aplicado
al llamado devanado primario o de alimentación con el devanado secundario en
circuito abierto de manera que no se transfiere energía de un circuito a otro. El
voltaje aplicado produce la circulación de una corriente pequeña 𝐼𝜙 en el devanado
primario que se denomina corriente de vacío y que tiene dos funciones:
1. Produce el flujo magnético en el núcleo, el cual varia sinusoidalmente entre
0 y ± 𝜙𝑚 (ya que Vp se supone que es sinusoidal) 𝜙𝑚 es el valor máximo
del flujo en el núcleo.
16
2. Proporciona también una componente que toma en consideración las
perdidas por histéresis y corrientes circulantes en el núcleo, que combinadas
se conocen como perdidas en el núcleo.
Figura 4 Transformador. [12]
La corriente de vacío (𝐼𝜙) tiene por lo general un valor de un porcentaje bajo
de la corriente nominal (del 1% al 4% dependiendo de la capacidad).
Debido a que en vacío (sin carga) el transformador se comporta como inductancia,
la corriente de vacío se atrasa con respecto al voltaje primario 90°. El ángulo 𝜃0 que
representa el factor de potencia de vacio. La componente de la corriente de vacio
𝐼𝑀, llamada corriente de magnetización se obtiene como:
𝐼𝑀 = 𝐼𝜙 × 𝑠𝑒𝑛 𝜙0 (1)
La segunda componente 𝐼𝑐 representa la corriente que alimenta las perdidas en el
núcleo y está en fase con Vp.
𝐼𝑐 = 𝐼𝜙 × cos 𝜙0 (2)
17
La corriente de vacío 𝐼𝜙 es la suma fasorial de las componentes anteriores
𝐼𝜙 = 𝐼𝑀 + 𝐼𝑐 (3)
El voltaje inducido está dado por la expresión:
𝐸 = 4,44 × 𝐹 × 𝑁 × 𝜙𝑚á𝑥 (4)
Donde:
E= Voltaje inducido en Volts.
F= Frecuencia del flujo en Hertz.
N= Número de espiras de la bobina.
𝜙𝑚á𝑥= Valor pico del flujo en Weber (Wb).
4.44= Constante que representa el valor exacto de 2𝜋/√2.
En el caso del transformador, dado que el mismo flujo eslabona los devanados
primario y secundario, los voltajes inducidos en cada devanado son:
Para el primario Ep= 4.44 F Np 𝜙𝑚á𝑥 (5)
Para el secundario Es = 4.44 F Ns 𝜙𝑚á𝑥 (6)
Dónde: Np y Ns son las espiras del devanado primario y secundario
respectivamente, si se dividen las ecuaciones anteriores se obtiene la relación de
transformación (𝑎).
𝑎 =𝐸𝑝
𝐸𝑠=
𝑁𝑝
𝑁𝑠 (7)
Para hallar el número de espiras se debe despejar de la ecuación de voltaje
inducido (4).
𝑁𝑝 =𝐸𝑝
4.44 × 𝐹 × 𝜙𝑚á𝑥 (8)
18
𝑁𝑠 =𝐸𝑠
4.44 × 𝐹 × 𝜙𝑚á𝑥 (9)
6.3 Potencia en los transformadores
En un transformador de dos devanados ideal, la potencia de entrada y la potencia
de salida es igual, despreciando las perdidas y considerando una alta eficiencia, lo
que en la práctica no representa una mala suposición.
Pentrada = Psalida
𝑉𝑝𝐼𝑝𝑐𝑜𝑠𝜙𝑝 = 𝑉𝑠𝐼𝑠𝑐𝑜𝑠𝜙𝑠 (10)
Donde el favor de potencia en los devanados primario y secundario es el mismo,
por lo tanto:
𝑉𝑝𝐼𝑝 = 𝑉𝑠𝐼𝑠 (11)
Obteniendo:
𝑎 =𝑉𝑝
𝑉𝑠=
𝐼𝑠
𝐼𝑝=
𝐸𝑝
𝐸𝑠 (12)
[13]
6.4 Autotransformador
El autotransformador es una máquina que funciona como un transformador
común, es decir, que para cada fase tiene un único devanado que actúa a la vez de
primario y de secundario, no tiene aislamiento entre fases y se caracteriza porque
la tensión relativa de cortocircuito es pequeña, produciendo unas caídas de tensión
muy bajas, pero en caso de producirse un cortocircuito aparecen corrientes
elevadas. [13]
19
La construcción de los transformadores y autotransformadores requiere de
los elementos que se describen a continuación:
6.5 Formaleta
Elemento donde se enrolla el alambre de cobre para crear los devanados
primario y secundario, el material en que se elaboran estas formaletas es
plástico en nylon reforzado en fibra de vidrio ya que el mismo proporciona un
buen aislamiento y su durabilidad a través del tiempo es mucho mayor, esto se
hace necesario para un ambiente hostil y de uso constante.
Figura 5 Esquema formaleta.
20
6.6 Papel parafinado
Se utiliza entre el devanado primario y secundario para crear aislamiento entre
devanado y devanado.
6.7 Núcleo
Está construido con chapas de material ferro-magnético, hierro al que se
añade una pequeña porción de silicio, las chapas tienen forma de letra” E” y letra “I”
las cuales se van intercalando para garantizar que no queden espacios vacíos en el
núcleo una vez construido el transformador o autotransformador se recubre de
barniz dieléctrico que evita la circulación de corrientes parasitas debido a que posee
una alta resistencia, de acuerdo a la calidad del núcleo aumenta el rendimiento del
transformador hasta un valor cercano al 100%.
Figura 6 Laminacion E & I.
21
6.8 Control retroalimentado
Es una operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir las
diferencias entre la salida y la entrada del sistema, y lo hace sobre la base de esta
diferencia, la cual se denomina señal de error.
Cuando se utiliza control de realimentación se considera perturbación a aquellas
que tienen carácter aleatorio (no previsible), porque las perturbaciones que pueden
ser predichas siempre se puede incluir una compensación dentro del sistema de
modo que sea innecesario el control. [14]
Figura 7 Diagrama de bloques de un sistema de control retroalimentado. [16]
Variable controlada y señal de control o variable manipulada: La variable
controlada es la cantidad o condición que se mide y controla (salida del sistema). La
señal de control o variable manipulada es la cantidad o condición que el controlador
modifica para afectar el valor de la variable controlada.[15]
Sumador y controlador: el sumador es un elemento que recibe las entradas y las
compara con las salidas reales del sistema, captadas por el sensor. Esta diferencia
es conocida como error, y es recibido por el controlador, quien actúa sobre ella
dependiendo de sus características de diseño.
22
Plantas: Es el dispositivo cuyo objetivo es efectuar una operación particular y emite
la señal de salida.
Sensor: Este es el encargado de medir y procesar la salida de la planta, y de esta
manera puedan ser comparadas por parte del sumador y entonces, dependiendo de
la diferencia entre lo real y lo esperado, el controlador pueda desarrollar la acción
respectiva.[16]
6.9 Regulación tipo Booster.
En este dispositivo la corriente de carga no circula por los elementos de
conmutación, la compensación por variación de la tensión de entrada tiene lugar en
un transformador de potencia (TP) cuyo secundario está en serie con la carga y
conduciendo permanentemente. Modificando la corriente del primario del TP en un
sentido u otro, se consigue un grado de compensación que también depende de la
relación de transformación del TP que es un parámetro de diseño. Esta corriente de
compensación proviene de un autotransformador en paralelo con la carga, cuyas
derivaciones se conectan en la forma adecuada con el primario del TP. De esta
manera se consigue que las corrientes por los dispositivos de conmutación sean
relativamente bajas extendiendo la durabilidad y elevando la confiabilidad del
sistema. [4]
6.10 Regulación por pasos.
Su funcionamiento se basa en el empleo de un autotransformador en paralelo con
la carga, con varias derivaciones que se seleccionaran según el valor de la tensión
23
de entrada en ese momento, compensando la variación en más o menos. La
derivación es seleccionada automáticamente mediante un sistema electrónico de
control. Este sistema funciona bien con cargas estables donde puede preverse la
caída que se produce en el bobinado que conduce la corriente. A mayores potencias
y cargas variables es necesario circuitos de regulación más elaborados. La forma
de conmutar los distintos bobinados del auto transformador es utilizando
conmutadores mecánicos (relés o contactores) ó electrónicos (triacs). Los primeros
soportan mejor las sobrecargas transitorias, como por ejemplo las producidas por
arranque de motores, pero tienen menor velocidad de respuesta. Los equipos con
triacs son más rápidos, pero más sensibles a las variaciones dV/dT ó cortocircuitos.
[4]
6.11 Triac.
Es un elemento semiconductor, compuesto por tres electrodos. el elemento puede
pasar de un estado de bloqueo a un régimen conductor, en los dos sentidos de
polarización (cuadrantes 1 y 3) y volver al estado de bloqueo por inversión de la
tensión o por disminución de la corriente por debajo del valor de mantenimiento [1]
La característica principal del triac es que puede conducir en ambas conducciones,
se utiliza en control de fase de corriente alterna. Se puede considerar como si fueran
dos SCR (tiristores) conectador en antiparalelo de compuerta común.
Si se aplica la tensión V1 al ánodo MT1, la tensión V2 al ánodo MT2 y Vg a la
compuerta G y si tomamos V1 como masa de referencia (V1=0) podemos definir
cuatro cuadrantes de polarización.
24
Figura 8 Símbolo del Triac y características de los cuadrantes. [17]
Dado que el triac es un dispositivo bidireccional, no es posible identificar sus
terminales como ánodo y cátodo. Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la
terminal MT1, el triac se puede activar aplicando una señal de compuerta positiva
entre la compuerta G y la terminal MT1. Si la terminal MT2 es negativa con respecto
a la terminal MTI, se activará al aplicar una señal negativa a la compuerta, entre la
compuerta G y la terminal MT 1. No es necesario que estén presentes ambas
polaridades de las señales de la compuerta y un triac puede ser activado con una
sola señal positiva o negativa de compuerta. En la práctica, la sensibilidad varía de
un cuadrante a otro, el triac normalmente se opera en el cuadrante I + (voltaje y
25
corriente de compuerta positivos) o en el cuadrante Ill- (voltaje y corriente de
compuerta negativos). [17]
Tabla 1 Cuadrantes de polarización del Triac
Cuadrantes V2 Vc Notación
I >0 >0 ++
II >0 <0 +-
III <0 <0 --
IV <0 >0 -+
26
7. Metodología
La metodología consta del diseño de los transformadores y
autotransformadores con la potencia requerida para su posterior
implementación, también se realizó el diseño de la etapa de potencia con
dispositivos de estado sólido explicando cada uno de los módulos que compone
la tarjeta de control, posteriormente se realizó la descripción de los pasos del
regulador para realizar el control retroalimentado y finalmente una etapa de
visualización en la que se pueden observar los voltaje de entrada, salida y
alarmas del sistema.
Figura 9 Esquema etapas regulador de voltaje
27
7.1 Etapa de diseño de los transformadores, autotransformadores y fuentes
de alimentación.
Para el diseño de esta etapa, se tuvo en cuenta la potencia máxima
entregada por el dispositivo 2KVA, el cual tiene una distribución por fase de 0,7
KVA para cumplir con el requisito final y el esquema tipo Booster (ver figura 21),
se estima que tiene una corriente de 5,8 A que circula por el devanado
secundario del transformador en serie con la carga, al modificar el voltaje y la
corriente del transformador en el devanado primario en un sentido u otro, se
consigue un grado de compensación que también depende de la relación de
transformación del transformador, siendo un parámetro de diseño ya que
necesita una tensión de 32V en el devanado secundario cuando hay una
tensión máxima de 120V en el devanado primario. El cambio de voltaje y la
corriente de compensación provienen de cambiar los taps (0V, 20V, 80V y
120V) en el devanado en serie del autotransformador y al estar en paralelo con
la carga se consigue que las corrientes por los dispositivos de conmutación de
estado sólido sean aproximadamente bajas permitiendo la durabilidad y
confiabilidad del dispositivo.
Se diseñó un transformador por fase con seis fuentes de 10 Vac, las cuales
se distribuyen de la siguiente manera; cuatro para la alimentación de los
reguladores LM7905, los cuales disparan con un voltaje negativo los triacs, una
para el regulador LM317 alimentación del microcontrolador y una para el
módulo de voltaje de salida, el cual se encarga de dar un voltaje de referencia
para las alarmas alto y bajo.
28
7.1.1 Diseño del transformador
𝑉𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 = 120𝑉
𝑉𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 32𝑉
𝑃 = 0.7 𝐾𝑉𝐴 = 700 𝑉𝐴
Relación transformación (𝑅𝑡)
𝑅𝑡 =120𝑉
32𝑉= 3,75
𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼
𝐼𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 =𝑃
𝑣𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜=
700𝑉𝐴
120𝑉= 5,83𝐴
𝐼𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 =𝐼𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎
𝑅𝑡=
5.83𝐴
3,75= 1,55 𝐴
𝐼𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐼𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 + 𝐼𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜
𝐼𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 5,83𝐴 + 1,55𝐴 = 7,3𝐴
Se asume que las corrientes del devanado primario y del devanado secundario
están en fase, ya que la corriente del primario es mucho más pequeña que la
corriente del secundario.
De acuerdo a las corrientes obtenidas se selecciona el calibre del alambre de cobre
para los respectivos devanados del transformador
29
Tabla 2 Elección del calibre del alambre para el transformador. Revisar Anexo 1
Devanado Corriente Calibre
Primario 1,6A 25AWG
Secundario 8,1A 18AWG
Número de espiras por Voltio (𝑁𝑒)
𝑁𝑒 = 𝑉 ∗42
√ 𝑃𝑅𝑡
+
𝑃𝑅𝑡
𝑅𝑡
= 𝑉 ∗42
√𝑃𝑅𝑡
+𝑃
(𝑅𝑡)2
𝑁𝑒 = 𝑉 ∗42
√0,172 ∗ 𝑃
𝑁𝑒 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 = 120 ∗42
√0,172 ∗ 700= 459,32 ≈ 459 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠
𝑁𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 32 ∗42
√0.172 ∗ 700= 122 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠
Medidas para las formaletas.
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶 = √𝑃 ∗ 0,1724
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶 = 3,31 𝑐𝑚
Para la medida de A, la cual es el largo de la formaleta se tiene como medida
estándar 3.2 cm.
30
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝐵 =(𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶)2
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐴
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝐵 =(3,31 𝑐𝑚)2
3,2 𝑐𝑚= 3,428 𝑐𝑚 ≈ 3,5 𝑐𝑚
En el resultado de la medida de B es 3,4 cm debido a que este no es un valor
comercial, por lo tanto, se selecciona el valor más cercano que es de 3,5 cm. Revisar
anexo 2.
7.1.2 Diseño del autotransformador.
𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 120 𝑉 𝑉𝑑2 = 80 𝑉 𝑉𝑑1 = 20 𝑉
𝑉𝑑1 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
𝑉𝑑2 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
𝑃 = 0,7 𝐾𝑉𝐴 = 700𝑉𝐴
𝐼 =
𝑃𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑅𝑡 =
700 𝑉𝐴120𝑉3,75
= 1,55𝐴
De acuerdo a la corriente se selecciona el calibre del alambre
31
Tabla 3 Elección del calibre del alambre para el autotransformador.
Revisar Anexo 1
Devanado Corriente Calibre
Primario 1,6ª 25AWG
Número de espiras por voltio (𝑁𝑒)
𝑁𝑒 = 𝑉 ∗42
√0,172 ∗ 𝑃
𝑁𝑒 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 120 ∗42
√0,172 ∗ 700= 459,32 ≈ 459 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠
𝑁𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
= 80 ∗42
√0.172 ∗ 700= 306,214 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 ≈ 306 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠
𝑁𝑒 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
= 20 ∗42
√0.172 ∗ 700= 77.002 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 ≈ 77 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠
Medidas para las formaletas.
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶 = √𝑃 ∗ 0,1724
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶 = 3,31 𝑐𝑚
32
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝐵 =(𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶)2
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐴
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝐵 =(3,31 𝑐𝑚)2
3,2 𝑐𝑚= 3,428 𝑐𝑚 ≈ 3,5 𝑐𝑚
Las medidas de A y B se seleccionan bajo los mismos parámetros del transformador.
Revisar anexo 2.
Derivaciones.
Para obtener 20V se realiza la primera derivación con 77 vueltas, en la segunda
derivación se obtienen 80V agregando 228 vueltas y para obtener 120V se agregan
152 vueltas.
En la siguiente imagen se muestra el programa de Excel para el diseño de
transformadores y autotransformadores en el que se pueden corroborar los datos
que se obtuvieron en los cálculos anteriores.
33
Figura 10 Programa para el calculo de tranformadores y auto Tranformadores
7.1.3 Diseño de las fuentes.
𝑉𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 = 120𝑉
𝑉𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 10𝑉
𝑃 = 700 𝑉𝐴
Relación de transformación.
𝑅𝑡 =120 𝑉
10 𝑣= 12
𝐼𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 =𝑃
𝑣𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜=
700𝑉𝐴
120𝑉= 5,83𝐴
34
𝐼𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 =
𝑃𝑉𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜
𝑅𝑡=
700 𝑉𝐴120 𝑉
12= 0,486 𝐴
𝐼𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐼𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 + 𝐼𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜
𝐼𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 5,83𝐴 + 0,48𝐴 = 6,3 𝐴
Con las corrientes obtenidas el calibre del alambre de cobre a seleccionar para los
devanados de la fuente es:
Tabla 4 Elección del calibre del alambre para las fuentes. Revisar Anexo 1
Devanado Corriente Calibre
Primario 0,50 A 30 AWG
Secundario 6,4 A 19 AWG
Número de espiras por voltio (𝑁𝑒)
𝑁𝑒 = 𝑉 ∗42
√0.172 ∗ 𝑃
𝑁𝑒 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 = 120 ∗42
√0.172 ∗ 700= 459,32 ≈ 459 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠
35
𝑁𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 10 ∗42
√0.172 ∗ 700= 38.27 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 ≈ 38 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠
Medidas para las formaletas
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶 = √𝑃 ∗ 0,1724
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶 = 3,31 𝑐𝑚
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝐵 =(𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶)2
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐴
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝐵 =(3,31 𝑐𝑚)2
3,2 𝑐𝑚= 3,428 𝑐𝑚 ≈ 3,5 𝑐𝑚
Las medidas de A y B se seleccionan bajo los mismos parámetros del transformador.
Revisar anexo 2.
En la siguiente imagen se muestra el programa de Excel para el diseño de
transformadores en el que se puede corroborar los datos que se obtuvieron en los
cálculos anteriores.
36
Figura 11 Programa para el cálculo de transformadores.
La selección del núcleo se realiza de acuerdo al tamaño de la formaleta debido a
que los transformadores, los autotransformadores y las fuentes arrogaron los
mismos resultados en las medidas de A y B, la laminación E & I se escogió con las
siguientes medidas en milímetros.
37
Tabla 5 Medidas laminación E & I.
A B C D E F G H I KgXcm
96 80 32 6.3 16 48 64 80 64 0.472
7.2 Etapa de potencia
Se diseña una tarjeta de control donde se hace uso de un microcontrolador
Freescale MC9S08PA16 para monitorear las capacidades admisibles de voltaje y
corriente, así como los procesos de conmutaciones de potencia para lograr una
regulación efectiva de voltaje y mantener un voltaje de salida deseado, consta de
siete módulos los cuales se van a describir a continuación.
7.2.1 Módulo Fuente de 5V negativos.
Usamos un regulador de voltaje negativo LM7905 para mantener 5 voltios
negativos regulados para disparar los triacs.
38
Figura 12 Módulo Fuente de -5V.
7.2.2 Módulo de disparo de los triacs
Para disparar cada triac Q8040, el microcontrolador envía un pulso de 3,3
voltios, este pulso hace que el opto acoplador sature el transistor 2N2222 enviando
un pulso de -5 voltios al gate del triac respectivo energizando la carga, escogimos
el disparo de tercer cuadrante, porque este es el que mejor aprovecha las
características eléctricas del triac (voltaje entre el MT1 y MT2 es el menor posible),
este módulo se duplica 8 veces por fase y este depende de los pasos que deba dar
el regulador.
39
Figura 13 Módulo de disparo de los triacs.
7.2.3 Módulo alarma de fusible
Tenemos un transformador de 120 voltios a 10 voltios el cual va a generar un
voltaje de referencia que va hacer monitoreado continuamente por el
microcontrolador en el pin 26, para determinar cuándo se quema el fusible, esta
alarma se visualiza en la LCD.
40
Figura 14 Módulo alarma de fusible.
7.2.4 Módulo de voltaje de salida del regulador
Tenemos un transformador de 120 voltios a 10 voltios, el cual va a generar un
voltaje de referencia que va hacer monitoreado continuamente por el micro en el pin
23, para tomar las decisiones de acuerdo al voltaje de salida que se esté
monitoreando a cada momento, si este voltaje sobre pasa los limites admisibles
genera una alarma de alto o bajo en la LCD.
Figura 15 Módulo de voltaje de salida del regulador.
41
7.2.5 Módulo de voltaje de entrada del regulador
Ingresan los 110 voltios de fase, se adecua la señal de entrada mediante
divisores de voltaje para obtener un voltaje adecuado, para poder ser monitoreado
por el microcontrolador mediante el pin 22, se utiliza el LM358 para generar una
señal de reset en los triac en el paso presente antes de activar los triacs del paso
siguiente mediante el pin 9 del microcontrolador.
Figura 16 Módulo de voltaje de entrada del regulador.
7.2.6 Módulo de cruce por cero
Este módulo es el encargado de detectar el cruce por cero, momento en el cual
se activan los triacs, por medio de un sensor de corriente se ingresa la señal a un
LM358 el cual compara el voltaje con una referencia de 0 voltios, generando pulsos
a la salida cuando el voltaje cruza por cero, estos pulsos son enviados al pin 33 del
42
microcontrolador, información que será procesada por este, para activar los triacs
en el momento en el que el voltaje cruza por cero.
Figura 17 Módulo de cruce por cero.
En la siguiente figura se muestra el cruce por cero tomado mediante el
osciloscopio FLUKE 192 SCOPEMETER, la señal cuadrada se observa sobre el
gate y la señal sinusoidal se observa sobre el MT2 del triac Q8040, demostrando
que el gate está siendo disparado en el momento en que la señal sinusoidal está
cruzando por cero evitando una conmutación incorrecta en las parejas de los
triacs.
43
Figura 18 Señales cruce por cero donde la señal cuadrada A, se genera al medir
entre Gate del Q8040 y GND del LM7905 y la señal sinusoidal B, se genera al
medir entre MT1 y MT2 del triac.
7.2.7 Módulo calibración alarmas alto y bajo
A partir de la alimentación del microcontrolador (3.3 voltios) mediante un trimer
y una resistencia funcionando como divisor de tensión se envía una referencia de
alarma de alto voltaje al pin 24 del microcontrolador y la referencia de bajo voltaje al
pin 25 del microcontrolador. Para que dichas señales sean procesadas por el
microcontrolador y cuando se presenten las alarmas se muestren en la LCD.
44
Figura 19 Módulo calibración alarmas alto y bajo
En la LCD se visualiza el nivel de voltaje por fase y las alarmas por bajo y alto
cuando el sistema presenta un incremento o decremento fuera los rangos
admisibles en el voltaje de salida 220𝑉 ± 5%, a continuación se puede apreciar la
alarma por alto en la tercera fase y la alarma por bajo en la primera fase.
45
Figura 20 Visualización alarmas alto y bajo.
7.3 Etapa regulador tipo Booster de 13 pasos por fase.
Figura 21 Esquema regulador tipo Booster de 13 pasos.
46
En la siguiente tabla se describen los pasos del regulador, seis pasos donde
el ∆ de voltaje es positivo, es decir, este ∆ se suma al voltaje de entrada, así mismo
se tienen seis pasos donde el ∆ de voltaje es negativo, es decir, este ∆ se resta al
voltaje de entrada y un paso donde el ∆ de voltaje es cero, en este caso el
microcontrolador no realiza ninguna acción, cumpliendo con los 13 pasos
preestablecidos, se muestra la tabla 5. de voltajes aplicados al devanado primario
del transformador los cuales son generados por la activación de las parejas de
triac´s cada 20 voltios ver figura 21, este voltaje de acuerdo a la relación de
transformación genera un ∆ de voltaje de 5,3 voltios del transformador, también se
describe que pareja de triac’s se activa en cada paso.
Tabla 6 Descripción pasos del regulador y voltajes del transformador y del
autotransformador.
Pasos Par
Triacs
Voltaje aplicado al
transformador
∆ voltaje
Generado por el
transformador
1 1-8 120 32
2 1-6 100 26.6
3 3-8 80 21.3
4 3-6 60 16
5 1-4 40 10.6
6 5-8 20 5.3
7 1-2 0 0
8 6-7 -20 -5.3
9 2-3 -40 -10.6
10 4-5 -60 -16
11 4-7 -80 -21.3
12 2-5 -100 -26.6
13 2-7 -120 -32
47
7.4 Etapa de Control
Figura 22 Diagrama de bloques del sistema de retroalimentación implementado.
Para el control retroalimentado la señal manipulada o controlada es el voltaje
de entrada que se encuentra entre un rango de 220V±30%, voltaje que debe
controlarse para las condiciones preestablecidas.
El sumador recibe la señal de voltaje de entrada y las compara con la medición
del voltaje de salida, esta diferencia es enviada al microcontrolador el cual toma
las decisiones para actuar sobre el regulador y ajustar la variable de salida en un
rango de 220V±5%.
Para las decisiones que debe tomar el microcontrolador los rangos de voltaje
de entrada y de salida en las que va a trabajar el regulador son los siguientes:
El rango del voltaje de entrada 220V±30% es decir 154V a 286V.
El rango de voltaje de salida 220V±5% es decir 209V a 231V.
Mediante la siguiente tabla 6. se explica el control retroalimentado cumpliendo con
los requerimientos del número de pasos (13) y los rangos de voltaje de entrada y
salida mencionados anteriormente.
48
Para cumplir estas especificaciones de voltaje, el rango de cambio por paso es
de 5 voltios y el ∆ de voltaje 5.3 voltios.
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 + ∆ 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒
∆ 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 =32
6= 5,3 𝑉
Donde:
32 es el voltaje del devano secundario del transformador.
6 es el número de pasos por arriba y por debajo.
Se debe tener en cuenta que estas ecuaciones se están realizando por fase, y
en la tabla muestra los valores para el regulador trifásico.
Tabla 7 Rangos de voltaje de entrada y de salida
Pasos Rango de Voltaje de entrada
𝑽𝒊𝒏 =220V±30%
∆ voltaje Generado por el transformador *
√𝟑
Rango de Voltaje de salida
𝑽𝒐𝒖𝒕 =220V±5%
1 154.1 – 162.8 55.4 209.5 – 218.2
2 164.5 – 173.2 46 210.6 – 219.2
3 174.9 – 183.5 36.8 211.8 – 220.4
4 185.3 – 193.9 27.7 213.4 – 221.7
5 195.7 – 204.3 18.3 214.0 – 222.7
6 206.1 – 214.7 9.17 215.2 – 223.9
7 216.5 – 225.1 0 216.5 – 225.1
8 226.8 – 235.5 -9-17 217.7 – 226.3
9 237.2 – 245.9 -18.3 218.9 – 227.5
10 247.6 – 256.3 -27.7 219.9 – 228.6
11 258.0 – 266.7 -36.8 221.1 – 229.8
12 268.4 – 277.1 -46 222.3 – 231.0
13 278.8 – 287.5 -55.4 223.4 – 232.0
49
50
Figura 23 Diagrama de flujo para la lógica del microcontrolador en la selección de
pasos del regulador
51
7.5 Etapa de Visualización
Para esta etapa se implementa un circuito con visualización en LCD, en donde
se utilizan tres entradas análogas para el voltaje trifásico por fase y tres entradas
digitales para las alarmas de voltaje alto, voltaje bajo y falla de fusible.
7.6 Diseño de PCB’S.
Se realiza el diseño de los circuitos impresos mediante la herramienta EAGLE
7.6, estos circuitos constan de un microcontrolador Freescale MC9S08PA16 de
montaje superficial y los módulos nombrados anteriormente.
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Figura 24 Circuito impreso Tarjeta de Control.
Figura 25 Circuito impreso Tarjeta visualización.
53
8. Resultados
Señales voltaje de entrada Vs voltaje de salida para los 13 pasos. En la figura se observan dos señales sinusoidales, la señal A corresponde al voltaje
de entrada por fase, el cual se puede verificar al lado superior izquierdo, la señal B
corresponde al voltaje de salida por fase, el cual se puede verificar al lado superior
derecho, en cada paso se halla un ∆ de voltaje generado por el transformador.
El voltaje de salida fue tomado sobre un motor trifásico de 60 watios u 85.7 VA.
Paso 1 con un ∆ de voltaje de 34V Paso 2 con un ∆ de voltaje de 28V
Paso 3 con un ∆ de voltaje de 24V Paso 4 con un ∆ de voltaje de 17V
54
Paso 5 con un ∆ de voltaje de 11V Paso 6 con un ∆ de voltaje de 6V
Paso 7 con un ∆ de voltaje de 0V Paso 8 con un ∆ de voltaje de -6V
Paso 9 con un ∆ de voltaje de -13V Paso 10 con un ∆ de voltaje de -18V
55
Paso 11 con un ∆ de voltaje de -25V Paso 12 con un ∆ de voltaje de -29V
Paso 13 con un ∆ de voltaje de -37V
Figura 26 ∆ de voltaje generado por la entrada y salida del regulador.
9. Mejoras a futuro
La proyección de este dispositivo es aumentar su capacidad de funcionamiento para
cargas de mayor potencia, ya que estas en la industria son utilizadas para
maquinarias más robustas.
Implementar un transductor electroacústico cuando el sistema este alarmado ya sea
por voltaje bajo o alto y cuando alguno de los fusibles presente falla, sirviendo como
mecanismo de señalización o aviso.
56
10. Conclusiones
El uso de la tecnología tipo Booster permite que la corriente de carga no circule
por los elementos de conmutación, sino que circule solo una fracción de esta
corriente que es la corriente de carga dividida en la relación de transformación, lo
cual permite que se puedan elaborar reguladores de voltaje de mayor potencia.
Gracias a la tecnología tipo Booster y al número de pasos se obtuvo un rango
de voltaje de entrada de ± 66 voltios, a diferencia de los reguladores de voltajes
disponibles en el mercado que presentan un rango de voltaje de entrada entre ± 22
voltios y ± 33 voltios.
Con el desarrollo del proyecto se logró un avance significativo en la industria
de los reguladores en Colombia ya que estos se fabrican con un número de pasos
inferior a trece, generalmente cinco pasos.
Debido a que no había un switcheo apropiado de los triacs, estos se quemaban
con mucha facilidad, por lo tanto, se tuvo que mejorar la detección de cruce por cero
utilizando un sensor de corriente ACS712, el cual amplifica la señal de carga para
ser ingresada a un LM358, se realiza una comparación de voltaje con una referencia
de 0 voltios, generando pulsos a la salida en el momento en el que el voltaje cruza
por cero para activar los triacs.
57
11. Lista de referencias
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[3] M. E. Ortiz-Quisbert, M. A. Duarte-Mermoud, F. Milla, and R. Castro-Linares,
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Reguladores Automáticos de Voltaje,” RIAI - Rev. Iberoam. Autom. e Inform. Ind.,
vol. 13, no. 4, pp. 403–409, 2016.
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[6] M. Chamana, B. H. Chowdhury, and F. Jahanbakhsh, “Distributed control of voltage
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issues,” IEEE Trans. Smart Grid, vol. 9, no. 2, pp. 1086–1095, 2018.
[7] M. E. C. Brito, L. R. Limongi, M. C. Cavalcanti, F. A. S. Neves, and G. M. S.
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[8] R. Yan, Y. Li, T. Saha, L. Wang, and M. Hossain, “Modelling and Analysis of Open-
Delta Step Voltage Regulators for Unbalanced Distribution Network with
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[9] W. H. Kersting, “The modeling and application of step voltage regulators,”
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[17] I. Segundo Bosco Novillo Minchala and I. Marco Barragán, “Control aplicado a un
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12. Anexos
12.1 Anexo 1
Especificaciones alambre esmaltado de cobre de la empresa FRANA INTERNATIONAL
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60
12.2 Anexo 2
Formaletas plásticas en nylon reforzadas en fibra de vidrio clase "F" de la empresa
FRANA INTERNATIONAL
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