Diseño de un sistema para el control de potencia vía TCP/IP sobre una carga resistiva
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.
Control de potencia
Comunicación TCP/IP
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.
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.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- Comunicación de Datos
- Adquisición y Salida de
Datos
- 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.
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.- Medida del valor de potencia real sobre la
carga - 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.
Figura 4 Circuito detector de
cruce por cero y simulación mediante PSPICEPara 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).- 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 conducciónUtilizando 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. - Relación Potencia – Ángulo
de Conducción – Voltaje de
Referencia. - 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.
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- 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. - Conclusiones
- 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.