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Fuente Ininterrumpida de Energía
con Salida Senoidal Controlada por Microcontrolador
Marder, Felipe - Lombardero, Oscar G. - Aquino, Carlos de J.
Depto. de Ingeniería Eléctrica - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura - UNNE.
9 de julio 1449 - 2º Piso - Laboratorio Nº 10 - (W3400AYY) Corrientes - Argentina.
Teléfono/Fax: +54 (3783) 423126
E-mail: [email protected]
RESUMEN
El presente trabajo, con carácter de desarrollo tecnológico, forma parte del proyecto aprobado por la SGCYT de
la UNNE Nº 454 titulado “Diseño de Sistemas de Control y Automatización para la Industria, basado en
Microcontroladores”. El mismo consiste en el diseño e implementación de una fuente ininterrumpida de energía
comandada con un microcontrolador, que genera una tensión de salida con forma senoidal y a la frecuencia de
red, cuyos fundamentos matemáticos teóricos se presentan en el trabajo “Generación de onda senoidal –
Modulación por ancho de pulso” realizado por este mismo grupo.
INTRODUCCION
La necesidad de contar con un sistema de energía que sea capaz de reemplazar a la tensión de línea domiciliaria
cuando esta cae por alguna razón, ha motivado desde hace ya tiempo el desarrollo del mismo, lográndose con las
actuales tecnologías mejores comportamientos en cuanto a rendimientos y prestaciones. Los llamados Sistemas
Ininterrumpidos de Tensión (UPS por sus siglas en inglés), han evolucionado desde sus primeras apariciones en
el mercado en la década del 70. Si bien aún no existían las computadoras personales como las concebimos hoy,
estaban presentes los sistemas de procesamiento de datos de mayor envergadura física que requerían
alimentaciones permanentes para no perder la información en tránsito. De la misma manera, el campo de la
electromedicina requería de sistemas de alimentación continuos para aquellos casos de mayor riesgo para la vida
del paciente, como ser los momentos de una cirugía, tanto para los equipos eléctricos y electrónicos como para
los electromecánicos que se utilizaban durante la misma.
Hoy en día las aplicaciones que necesitan sistemas de alimentación continua de energía se han multiplicado y las
podemos encontrar no solo en el ambiente de la informática y la medicina sino también en el de las
comunicaciones, en el de la industria y la instrumentación, lo que ha justificado su desarrollo permanente. Los
primeros equipos y aun los actuales que se encuentran en el mercado por un costo medio, se basan en la
generación de señales de tipo cuadrada o cuasi-senoidal con frecuencias que pueden o no ser las normalizadas
de 50 o 60 Hz.
El proyecto que se presenta aquí consiste en el diseño y montaje de un sistema ininterrumpido de energía de tipo
stand-by capaz de entregar una potencia de hasta 2 KVA (dependiendo ese valor de la etapa de potencia y de la
fuente auxiliar de alimentación). El prototipo desarrollado es flexible en cuanto al modo de operación, ya que el
producto final puede ser empleado para permanecer durante poco o mucho tiempo funcionando, dependiendo de
la aplicación. En correspondencia a esto será el tamaño y tipo (plomo-gel o plomo-ácido ) de la batería a emplear
como fuente auxiliar.
Posee un dispositivo de verificación en caso de falla de la batería (cuando presenta menos de 10.5V y no permite
su recarga) y también para controlar el nivel de tensión de la misma, efectuando la recarga correspondiente (a
menos de 11,5V). Asimismo, aún cuando esté presente la tensión de red, la UPS comienza a operar cuando los
niveles de aquella están fuera de un margen de trabajo prefijado (entre 180 y 240 V ), lo que se realiza por
razones de seguridad con respecto a la carga. Cuenta con alarmas visuales y sonoras para cada tipo de
funcionamiento (normal o en falla) a fin de que el operador las reconozca con facilidad y tome las medidas
correctivas necesarias.
MATERIALES Y METODOS
El diagrama en bloques del sistema se puede observar en la figura Nº 1. El elemento principal es el
microcontrolador PIC16F84 de la firma Microchip Inc. que presenta excelentes características eléctricas para las
tareas de control que se le asignan, en cuanto a velocidad de trabajo, niveles de tensión y de corriente para
excitar los relés de comando, además de capacidad de memoria interna, cantidad mínima de componentes
externos, amplio rango de tensiones de trabajo y posibilidad de protección de código. El sensado de la tensión de
línea se lleva a cabo mediante un optoacoplador, lo que permite mantener un nivel de aislación muy alto (1500
Volts). Esta etapa no solo detecta la presencia de la tensión de línea sino que determina el nivel de dicha tensión
para fijar un margen de trabajo dentro del cual va a operar el sistema, como se comentó en el apartado anterior.
En el caso de que la batería no alcance el nivel mínimo para un funcionamiento seguro, el µC emitirá una señal
acústica indicando dicha condición, aunque seguirá generando señal de alterna al transformador.
Cargadorde
de
Cargador
batería
batería
Sensoresde
deestado
estado
Sensores
debatería
batería
de
Relé
Relé
control
de
control de
recarga
recarga
Detectorde
de
Detector
nivel
de
línea
nivel de línea
Microcontrolador
Microcontrolador
Etapa
Etapa
excitadora
excitadora yy
depotencia
potencia
de
Relé
Relé
conmutador
conmutador
220 V
carga
Figura Nº 1 Diagrama en bloques de la UPS
Uno de los aspectos más interesante que presenta este sistema es la generación de una tensión de salida de tipo
senoidal (especificación que no cumple la mayoría de las UPS del mercado de precio bajo y medio). Esto se
consigue mediante la modulación del ancho del pulso de la señal de excitación, siguiendo las reglas de las
llamadas seno mágicas. El algoritmo propuesto en este método está basado en la generación de una secuencia de
pulsos con un relación de trabajo perfectamente determinada, con el fin de obtener una onda seno de primera
armónica y las subsiguientes 12 ( en nuestro caso) con valores prácticamente nulos. Este análisis del proceso está
ampliamente descrito en la referencia (2) de los mismos autores.
La etapa de excitación del transformador de salida está implementada con transistores de tipo MOSFET ya que
presentan características dinámicas de conmutación necesarias y suficientes para pasar del corte a la saturación
con una pérdida mínima por calor.
PROGRAMA DE SUPERVISION DEL MICROCONTROLADOR
El diagrama en bloques de la rutina de trabajo del µC está representada en la Figura Nº 2. Podemos observar que
el bloque denominado genera ciclo es el responsable de la generación de la secuencia de los pulsos modulados
en ancho que parten desde dos pines de entrada-salida del puerto B del PIC a la etapa excitadora. Por uno de
ellos salen los pulsos para generar la parte positiva de la onda y por el otro para la parte negativa. Si bien el nivel
de los pulsos es positivo en ambos casos, la inversión de la tensión se realiza en el transformador de potencia,
por el tipo de configuración empleada, de tipo push-pull. Por el resto de los pines de este mismo puerto se
controlan los relés para la conmutación de la carga, las alarmas y la recarga de la batería.
inicio
Inicialización de
registros
no
sin línea?
1
si
genera ciclo
si
Reg1,0=0
no
si
Reg2=0
si
si
no
Reg2=0
si
sin línea?
registros
si
Reg2=k1
Reg1,1=1
no
no inicializ de
RA2=0
si
no
Reg1,0=1
RB4=1
sin línea?
Reg1,1=0
no
Reg2=k1
RB3=0
no
1
generación
de beep
RA1=1
no
Inicialización
De registros
RA=0
si
Reg1,3=0
no
si
no
RB5=0
Reg1,4=0
RB5=1
Reg1,3=1
si
Figura Nº 2. Diagrama de flujo del programa de control
La inicialización de los registros para la duración de los tiempos de beep se realiza al principio, pero se
modifican en función del nivel o estado de la batería durante el funcionamiento continuo. Debe hacerse notar que
toda subrutina de control o verificación se realiza durante el tiempo que el pulso más prolongado de los que
genera la onda senoidal pasa por un cero, de tal forma que dicha subrutina se realiza en forma transparente al
funcionamiento externo. Así se logra que la duración total de la onda, estimada en 20 mseg (50 Hz), no se vea
alterada por las acciones que implican la activación de un relé de control o de la señal audible.
CONCLUSIONES
Se ha desarrollado un sistema de alimentación ininterrumpido de energía con una salida de forma senoidal, que
conserva los mismos parámetros de la tensión de red domiciliaria, de 220V efectivos y de 50 Hz. El prototipo
desarrollado funciona según lo previsto, no detectándose anomalías en la lógica del programa. Al momento resta
depurar la etapa circuital de salida, a fin de eliminar las armónicas de orden elevado (13ra inclusive y en
adelante) y lograr el retorno de esa energía para emplearla en la recarga de la batería. El desarrollo definitivo de
esta etapa será motivo de una próxima presentación.
BIBLIOGRAFIA
1.
MGE UPS System “Architecture of Simplified Concept for Energy and the Technical Environment ”
INTELEC 95
2.
Marder F, Aquino C, Lombardero OG “Generación de Onda Senoidal – Modulación por ancho de
pulso”, enviada a su publicación a la Revista Ingeniería Eléctrica Ed Editores SRL.
3.
Beaudet J, Fiorina J, Pinon O, “UPS Technology and Standard” Pag Web de MGE UPS Systems
4.
“Uninterruptible Power Supply Reference Design” Nota de Aplicación de Microchip Inc.
5.
Manual de programación de microcontroladores de Microchip. Microchip Technology Inc 1998.
6.
Gonzalez Vazquez “Introducción a los microcontroladores” Ed Marcombo 1992
7.
Cuenca Martín, Angulo JM “Microcontroladores PIC La solución en un chip” Paraninfo, 1998.