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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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