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Diseño de un sistema para el control de potencia vía TCP/IP sobre una carga resistiva




Enviado por andress



    1. Resumen.
    2. Diseño de un Sistema
      de Control de Potencia
    3. Resultados
    4. Conclusiones
    5. Referencias

    Resumen.

    El presente artículo se realiza con el objeto de
    mostrar el desarrollo de
    un sistema que controla, por medio de un enlace vía
    TCP/IP la potencia
    real aplicada a una carga netamente resistiva. Por medio de una
    tarjeta de adquisición de datos es sensado
    el voltaje aplicado a la carga, con el fin de obtener el valor de
    potencia disipada, la cual fue comparada con un valor de
    referencia. El sistema permite realizar aplicaciones para cargas
    resistivas con una conexión tipo cliente servidor, de
    forma sencilla, con lo cual se pueden conseguir diseños
    más robustos con menor esfuerzo. Sin embargo, el sistema
    de control tal como esta desarrollado, puede ser adaptado para
    permanecer en constante funcionamiento permitiendo el ahorro de
    energía
    eléctrica en instalaciones aisladas que requieran de
    iluminación constante.

    Palabras Clave:

    Control de potencia

    Comunicación TCP/IP

    1. Introducción

    Este diseño
    se realizó como práctica de la asignatura Diseño de
    Sistemas Electrónicos, con el fin de generar nuevas
    formas de manipulación de tiristores para efectuar
    variaciones de potencia sobre diferentes tipos de cargas,
    aún cuando esta aplicación en especial se refiera
    solamente a cargas resistivas.

    Tomando aplicaciones hechas anteriormente para realizar
    transferencias de datos por medio de la Internet, utilizando
    protocolos
    estándar de comunicación (especialmente UDP y TCP) y de
    otras prácticas en donde se pudo conocer el potencial de
    las tarjetas de
    adquisición de datos, el diseño de este sistema se
    convirtió en la integración de la
    comunicación de datos y el control de
    potencia.

    La figura 1 resume el diseño de nivel superior,
    el cual esta subdividido en varios módulos, como
    sigue:

    • Comunicación
    • Adquisición de Datos
    • Sincronización
    • Control
    • Amplificación de potencia

    Figura 1 Sistema de Control de
    Potencia

    La integración de estas etapas entre si, tiene
    por objeto permitir que un usuario conectado a través de
    un computador a
    la red pueda variar
    la potencia disipada en el bombillo por medio de una interfaz
    gráfica.

    1. Para cumplir con los requerimientos de
      operación y funcionamiento del sistema de control de
      potencia sobre una carga resistiva (bombillo de 60 – 100W),
      por medio de un computador y manipulado a través de
      otro que sirve como cliente en la conexión TCP/IP,
      utilizando un software de
      control desarrollado en LabView. Se realizó el
      diseño detallado de cada uno de los módulos
      mencionados anteriormente, los cuales funcionan de la
      siguiente forma: La Comunicación se dedica a la
      relación entre los dos computadores conectados entre
      sí por medio de una red
      TCP/IP.

      La Adquisición de Datos corresponde al
      proceso de
      tomar el valor de voltaje aplicado sobre la carga de una
      manera continua, ésta medición la llevamos a cabo utilizando
      una tarjeta NI-DAQ AT-MIO-16E-50X de National Instruments. La
      Sincronización se refiere al proceso de relacionar el
      voltaje aplicado a la carga con la etapa de potencia, para lo
      cual realizó un circuito que nos permitiera conocer el
      cruce por cero de la señal sensada en la carga. La
      etapa de Control es la encargada de garantizar que el valor
      de potencia solicitado por el usuario en el cliente sea
      alcanzado de una manera rápida y lo más cerca
      posible al valor deseado, respetando la sincronía con
      la línea de voltaje. Por último la
      Amplificación de Potencia consiste en convertir el
      valor de ajuste proporcionado por el control en tiempo de
      voltaje efectivo sobre la carga, lo cual se efectuó
      utilizando un tiristor gobernado por un
      optoacoplador.

      1. El intercambio de información entre el usuario y la
        planta se realiza mediante el envío y
        recepción de datagramas que llevan los
        requerimientos del usuario al servidor y los resultados
        de las mediciones hacia el cliente por medio de la red.
        Para esto, es necesario ejecutar dos procesos simultáneos en el equipo
        servidor, uno encargado de realizar las mediciones y el
        control sobre la carga y el otro dedicado a enviar las
        mediciones hechas y recibir información del
        cliente. El programa que se desarrolló (ver
        figura 2) permite la comunicación TCP/IP entre dos
        máquinas utilizando un puerto de
        enlace.

        Figura 2 Programa
        servidor

      2. Comunicación de Datos
      3. Adquisición y Salida de
        Datos
    2. Diseño de un
      Sistema de Control de Potencia

    Para realizar el intercambio de información entre
    la planta y el software de medición y control se
    utilizó una tarjeta de adquisición de datos
    NI-MIO-16E-50X instalada en el computador que opera como servidor
    dentro del sistema, la cual tiene las siguientes
    características generales:

    • 20KS/s Resolución de 16 bits, 16 Entradas
      análogas ±10V.
    • 2 Salidas análogas con resolución de 12
      bits ±10V.
    • 8 I/O Salidas digitales TTL.
    1. El valor de potencia que esta siendo disipado por
      la carga (bombillo de 60 – 100W), es calculado por el
      software con la información de voltaje proveniente
      de la línea sobre la carga por medio de un
      transformador cuya relación de voltajes es
      120:6.

    2. Medida del valor de potencia real sobre la
      carga
    3. Salida del valor de voltaje de
      referencia

    El voltaje de referencia es el encargado de proporcionar
    el tiempo de conducción de voltaje sobre la carga por
    medio de la comparación con una señal rampa
    utilizando un amplificador operacional.

    Figura 3 Diferencia Señal rampa –
    Voltaje Ref.

    El voltaje de referencia es enviado por medio de LabView
    a la tarjeta de adquisición, la cual esta conectada por
    medio del Canal AO0 al circuito comparador. La salida del
    amplificador operacional es enviada a un optoacoplador, el cual
    se encarga de disparar un tiristor.

    1. Figura 4 Circuito detector de
      cruce por cero y simulación mediante PSPICE

      Para realizar la sincronización del tiempo
      de disparo del tiristor con la señal de voltaje
      proveniente de la línea eléctrica (120V 60Hz)
      se diseñó el circuito mostrado en la figura
      4, el cual proporciona una señal rampa
      sincrónica al cruce por cero de la señal de
      voltaje rectificada (ver simulación realizada
      mediante PSPICE).

    2. Detector de Cruce por Cero.

      El diseño debe incluir la
      transformación de los
      valores de potencia suministrados por el usuario en
      tiempo de voltaje efectivo aplicado sobre la carga, para lo
      cual se realizó una aproximación de los
      valores
      de porcentaje de potencia real, en su equivalente al
      ángulo de conducción del tiristor,
      linealizando mediante polinomios de la gráfica
      suministrada por el fabricante del tiristor. Con los
      valores tomados obtuvimos una relación como se ve en
      la figura 5.

      Figura 5 Relación %Pot. –
      Ángulo de conducción

      Utilizando este polinomio se obtiene el valor
      correspondiente del ángulo de conducción, el
      cual puede ser transformado en tiempo de conducción
      y por medio de la siguiente relación obtener el
      valor de voltaje de referencia necesario.

      Donde Vp es el voltaje pico de la señal
      rampa y φ es el ángulo constante formado por la
      pendiente de la señal rampa y el voltaje DC de
      referencia Vref, paralelo al eje de tiempo de la
      señal. Con éste valor constante, podemos
      determinar el valor de voltaje de referencia
      correspondiente para cualquier valor de tiempo
      t.

      Por medio de estas relaciones el programa de la
      figura 6 convertirá la entrada de porcentaje de
      potencia suministrada por el usuario en voltaje de
      referencia, el cual será utilizado para generar el
      disparo del tiristor mediante la diferencia con una
      señal rampa utilizando un comparador
      operacional.

      Figura 6 Programa de
      relación %Pot – Vref.

    3. Relación Potencia – Ángulo
      de Conducción – Voltaje de
      Referencia.
    4. Control y Ajuste de la Potencia
      Real

    Con el fin de garantizar que la potencia introducida por
    quien opere el sistema se cumpla de una manera bastante
    próxima y corregir el error en el voltaje de referencia
    producto de
    las relaciones matemáticas descritas anteriormente, el
    segmento de programa mostrado en la figura 7 realiza una
    comparación entre el valor de potencia esperada y la
    potencia medida, para luego realizar un ajuste correspondiente en
    el valor del voltaje de referencia.

    Figura 7 Control y
    ajuste del voltaje de referencia

    El algoritmo de
    funcionamiento se describe así: la potencia medida es
    comparada con el rango de valores [Potencia Deseada – 0.15,
    Potencia Deseada + 0.15]. Si el valor medido no se encuentra
    dentro de éste rango entonces se determina si ha de ser
    mayor o menor el valor de la potencia medida con respecto al
    deseado para incrementar o disminuir el voltaje de referencia. Si
    el valor medido se encuentra dentro del rango establecido el
    programa no afectara el voltaje de referencia. Luego de realizar
    cualquiera de los casos anteriores, el programa tomará la
    medida de potencia nuevamente con respecto al nuevo voltaje de
    referencia y las comparaciones se realizarán de
    nuevo.

    1. Se realizaron pruebas de
      cada uno de los módulos de manera independiente y de
      forma ascendente, después de lo cual se realizaron
      pruebas para el sistema en general, en donde se encontraron
      datos como un mejor desempeño de la comunicación en
      términos de tiempo de respuesta mediante la Internet
      que en una red
      LAN.

      El tiempo de corrección del error entre la
      potencia deseada y la potencia medida, es bastante bueno
      debido a que el programa de control y ajuste tiene como
      referencia un valor relativamente cercano al deseado, gracias
      al valor entregado por el módulo de conversión
      de porcentaje de potencia a voltaje de referencia. Sin este
      módulo habría sido necesario variar el valor de
      voltaje de referencia desde cero hasta obtener la potencia
      deseada, lo cual requeriría más tiempo para
      encontrar dicho valor.

      Los voltajes RMS calculados por el programa mediante
      la adquisición de datos y las herramientas de LabView, corresponden con los
      valores obtenidos en mediciones realizadas con
      voltímetros, lo que índica la fiabilidad del
      sistema con respecta a la potencia medida con la tarjeta de
      adquisición de datos.

      El sistema permite visualizar en la parte de
      servidor el voltaje aplicado a la carga, con lo cual se
      estima el valor del ángulo de conducción
      permitido por el tiristor.

      Figura 7 Interfaz de Servidor.

      Mientras tanto el cliente solo tiene que introducir
      la dirección IP del servidor y girar un
      potenciómetro (knob) para determinar la potencia del
      bombillo deseada, la cual es visualizada mediante una grafica
      de potencia – tiempo que representa el valor medido en
      la planta.

      Figura 8 Interfaz de
      Cliente

    2. Resultados

      En éste artículo se ha presentado el
      diseño de un sistema de control de potencia, el cual
      puede ser manipulado de manera remota por medio de una red de
      computadores como Internet. Lo cual tiene una amplia variedad
      de aplicaciones para diferentes tipos de carga donde se
      pueden realizar diferentes procesos de control,
      adquisición y medida de las variables
      correspondientes en plantas
      aisladas del centro de control.

      Dentro de las características importantes del
      sistema a parte de poseer una manipulación remota,
      esta el acoplamiento y representación gráfica
      del voltaje aplicado sobre la carga, tanto en el cliente como
      en el servidor, con lo que se puede evidenciar
      fácilmente el proceso de control de potencia por medio
      de tiristores de una forma dinámica y segura. De la misma manera
      se pueden acoplar sensores
      capaces de adquirir la corriente que fluye por la carga, para
      omitir el proceso de estimación teórica y
      observar el comportamiento y características de la
      variación de potencia sobre la carga a través
      del tiempo.

    3. Conclusiones
    4. Referencias

    NATIONAL INSTRUMENTS, Measurement and Automation Catalog
    2000.

    http://www.ni.com/pdf/products/us/2mhw254-255e.pdf

    DAQ MIO-16XE-50 User Manual

    http://www.ni.com/pdf/manuals/320935a.pdf

    PSPICE Student

    http://www.orcadpcb.com/pspice/default.asp

    Phase Control Using Thyristors. http://www.teccor.com/AN1003.pdf

    Edwin Cely González,

    Carlos López Ospina,

    Andrés Silva Gómez

    Asesor: MS. Diego E. Pardo

    Universidad de La Salle

    Facultad de Ingeniería de Diseño y Automatización
    Electrónica

    Carrera 2 No. 10-70 Santafé de Bogotá,
    Colombia
    Septiembre de 2003.

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