Conversor Corriente Alternada

Conversor Corriente Alternada - Corriente Continua
Marder, Felipe - Aquino, Carlos de J. - Lombardero, Guillermo O.
Dpto. de Ingeniería Eléctrica - FACENA - UNNE
9 de julio 1449 - 2º Piso Laboratorio Nº 10 - (3400) Corrientes - Argentina
Tel.: +54 (03783) 423126 - E-mail : [email protected]
RESUMEN
El presente trabajo con carácter de desarrollo tecnológico, forma parte del proyecto aprobado por la SGCYT
de la U.N.N.E., PI Nº 454 titulado “Diseño de sistemas de control y automatización para la industria, basado
en micro-controladores”. El mismo consiste en el diseño y construcción de una interface destinada a conectar
una salida de un transductor de corriente y la entrada de captación de datos de un equipo de control y/o
medición remoto.
INTRODUCCIÓN
El presente desarrollo soluciona un problema de una industria de la zona, para conseguir una adecuada
conexión entre una salida de alto nivel y una entrada de bajo nivel, ambas en términos de corriente.
Los requerimientos de la industria fueron los siguientes:
Se contaba con una salida de un transductor, que consistía en una corriente alternada de frecuencia industrial,
variable entre 0 y 5 Amperes eficaces (Corriente normalizada de los Transformadores de Intensidad).
Dicho Transformador de Intensidad, se encontraba físicamente ubicado en el tablero de una sala de maquinas.
El requerimiento principal era hacer una telemedición del tablero, en una oficina distante unos 50 metros.
Requerimientos adicionales del equipo de adquisición de datos (que podría consistir en una computadora o en
un Programador Lógico Controlable), fueron los siguientes:
1) Se requería una corriente continua variable entre 0 a 20 miliamperes de corriente continua, a la salida del
Conversor, proporcionales a variaciones en su entrada entre 0 y 5 amperes de corriente alternada.
2) Se requería además la posibilidad de que ante las mismas variaciones en la entrada, se obtuviera una
salida entre 4 y 20 miliamperes de corriente continua.
3) Otro requerimiento adicional, imponía que en los dos casos anteriores se pudiera seleccionar entre salida
“directa” (Es decir que ante un ritmo creciente de la señal de entrada, la salida creciera
proporcionalmente), o “invertida” (Es decir que ante un ritmo creciente de la señal de entrada, la
decreciera proporcionalmente).
M ATERIALES Y MÉTODOS
Se planteó el problema de acuerdo al diagrama de bloques siguiente:
Transductor
Corriente
Tensión
Entrada: 0-5Amperes
Corriente Alternada
x100
Amplificador
de Señal
A
Integrador
Amplificador
de ajuste
Directa
A
Salida
Invertida
Inversor
Amplificador
Convertidor
Tensión a
Corriente
0-20 mA
4-20 mA
Corriente
Continua
Figura 1. Diagrama en bloques del conversor
El primer problema encontrado fue la implementación de una carga adecuada para el transformador de
intensidad.
El criterio seguido para la elección de la misma, fue fundamentalmente el comportamiento lineal, en el rango
de corrientes de 0 a 5 amperes, además se ha tenido en cuenta el costo del material y la posibilidad de
conseguirlo en plaza.
Luego de diversos ensayos se adoptó como resistencia de carga un trozo de unos 20 centímetros de longitud
de alambre de Cobre de 1,3 milímetros de diámetro, con una sección de 1,3273 milímetros cuadrados.
La resistividad del cobre p = 0,0175 Ohm.mm²/m
El coeficiente de temperatura a = 0,004
Suponiendo una temperatura de trabajo de unos 50 grados centígrados, se obtiene para la resistencia un valor
de aproximadamente 0,003 Ohm.
A la máxima corriente del TI, 5 amperes, se obtendría una tensión de 15 milivoltios eficaces, sobre la
resistencia de carga, que esta conectada a la entrada del conversor.
Se amplifica dicha tensión, valiéndonos de un amplificador operacional (U1) en montaje no inversor con una
ganancia aproximada de 100, con lo que se obtiene una tensión pico de 2,1 Voltios a la salida del mismo.
Posteriormente se integra esta tensión, por medio de un circuito RC, cuidando que la constante de tiempo
asociada al mismo, sea mucho mayor que el período de la señal, digamos entre 5 y 10 veces.
Se prevé una resistencia, para la descarga del capacitor, con el criterio que sea al menos cuatro veces mayor
que la resistencia del circuito integrador.
Se amplifica nuevamente esta tensión, valiéndonos de otro amplificador operacional (U2), también en
montaje no inversor, con una ganancia tal que permita obtener a su salida una tensión de 5 Voltios, cuando el
TI entregue una corriente de 5 amperes eficaces.
Acotemos que la ganancia de esta etapa amplificadora, no será fija, de hecho será conmutable y se ajustará
convenientemente, de acuerdo a los dos requerimientos en la salida, rango 0-20 mA. y 4-20 mA.
A la salida de esta etapa se le ha denominado “directa”, en relación a que la tensión sigue proporcionalmente
a la corriente en la entrada.
Paralelamente se implementa una etapa de ganancia unitaria, con un amplificador operacional (U3) en
montaje inversor, a cuya salida llamaremos “invertida”.
Por medio de un conmutador podremos seleccionar entre la señal “directa” o la señal “invertida”, la que se
aplicará a la siguiente etapa.
La primer parte de la etapa final, consiste en una combinación de un amplificador operacional (U4), con un
transistor del tipo NPN, y su finalidad es convertir la señal de tensión en una corriente proporcional a la
misma, usando resistencias de igual valor, conectadas entre el emisor y tierra y entre el colector y masa,
respectivamente, podremos obtener una tensión que varíe entre 0 y 5 voltios, pero referida en este caso al
terminal positivo de la alimentación.
Esta señal se aplica a una etapa de similar configuración a la anterior (U5), solo que en este caso
implementada con un transistor de tipo PNP, el que tendrá conectado a su colector la carga final, normalizada
en 500 Ohm.
Se fija la resistencia de emisor, de tal manera que se obtengan 20 mA sobre la carga cuando se cumplan las
siguientes condiciones:
1) En U2 se haya seleccionado la resistencia que da la ganancia necesaria para el rango 0-20 mA.
2) En la entrada tengamos 5 amperes eficaces.
3) El selector del transistor final se encuentre en la posición 0-20 mA.
Con el valor de la resistencia de emisor obtenida, que resulto ser de 250 Ohm, se busca la resistencia de
realimentación en U2 para el rango 4-20 mA, que proporcione la ganancia necesaria para obtener una
corriente de 16 mA. en la carga, con una corriente de 5 amperes eficaces en la entrada.
Para ajustar las corrientes a los valores requeridos, se implementó una etapa final actuando como fuente de
corriente, la que proporciona 4 mA, cuando el selector esta en la posición 4-20 mA. y 0 mA en la posición 020 mA.
De esta manera se consigue, adicionando las corrientes provenientes de U5 y del transistor, conseguir los
valores de 4 y 20 mA. de corriente continua en la carga, para variaciones de la corriente alterna de la entrada
entre 0 y 5 amperes eficaces.
En la Figura 2, se muestra el diagrama esquemático del circuito final que responde al diagrama en bloques de
la Figura 1, y se corresponde en los valores de los componentes usados, con los criterios enunciados y
desarrollados en los párrafos anteriores.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS - CONCLUSIONES
Se construyó un prototipo del circuito conversor antes descripto, se lo ajustó y ensayó en el Laboratorio
simulando las condiciones reales de trabajo.
Se encontró un excelente ajuste a las condiciones de diseño, particularmente en lo que se refiere a linealidad.
Se construyeron 15 unidades del mismo, que fueron transferidas a la industria que los solicitara, la firma
Safico S.A. de la localidad de Quimilí, provincia de Santiago del Estero actualmente se encuentran
funcionando.
Es opinión del grupo de trabajo, que el presente desarrollo es una solución satisfactoria del problema
presentado tanto en su aspecto técnico, como en el económico, ya que no existen en nuestro medio equipos
que cumplan las funciones solicitadas, siendo la alternativa importarlos, con el consiguiente aumento en los
costos y el tiempo de demora en obtenerlos.
Si bien el conversor se ha construido con elementos discretos, se piensa seguir trabajando en el tema
tendiendo a implementar el mismo con microcontroladores.
Figura 2. Diagrama esquemático del circuito utilizado
REFERENCIAS
Francisco L. Singer. Manual del Ingeniero Electricista. Ed. H.A.S.A.
Antonio Pertence Junior. Amplificadores Operacionales y Filtros Activos. Ed. Mc. Graw Hill.
Texas Manual de semiconductores Tomo I y II.
Texas. Transistores, Circuitos. Diseño Ed CEACSA.