Un enfoque más eficaz para desarrollar reguladores de voltaje automáticos AC-AC
El desarrollo de AVR se ha trasladado a sistemas controlados digitalmente construido con microcontroladores de 8 bits, pero los ASIC de señal mixta programables ofrecen ventajas para reducir el costo y el tamaño, lo que es particularmente importante para los AVR portátiles pequeños que son muy populares en algunas regiones.
Los reguladores automáticos de voltaje (AVR) se utilizan para regular un nivel de voltaje suministrado al compensar cualquier fluctuación en los voltajes entrantes. Los AVR también se conocen comúnmente como estabilizadores de voltaje y tienen aplicaciones en muchas aplicaciones industriales y residenciales. Por ejemplo, los AVR se utilizan en grupos electrógenos en barcos, en suministros de energía de emergencia y en plataformas petrolíferas para estabilizar los niveles de voltaje durante las fluctuaciones en la demanda de energía.
Para las empresas de servicios públicos de energía, la regulación del voltaje en la red de distribución es una responsabilidad clave que determina la calidad de la energía entregada a los consumidores finales. Con este fin, las empresas de servicios públicos deben garantizar una planificación adecuada a corto y largo plazo, el mantenimiento de los equipos eléctricos y el despliegue de reguladores en las líneas de distribución. Sin embargo, esta puede ser una tarea desafiante, especialmente en algunas regiones del mundo. En muchos países del sur de Asia, incluidos Pakistán, India y Bangladesh, el sistema de distribución de energía es frágil debido a problemas de robo de energía y escasez de generación de energía, lo que puede provocar períodos de desconexión de carga y otras interrupciones. Como resultado, los usuarios finales pueden enfrentar problemas de fluctuaciones de voltaje de la línea eléctrica. Por lo tanto, para garantizar la seguridad y la funcionalidad adecuada de dispositivos costosos como acondicionadores de aire, refrigeradores y televisores, el uso de pequeños AVR portátiles es muy popular. Los AVR son dispositivos fáciles de usar que generalmente operan en un rango predefinido de niveles de voltaje (por ejemplo, 150 V - 240 V o 90 V - 280 V).
Funcionalmente, los AVR generalmente usan un autotransformador con tomas para mantener la salida de CA en un rango aceptable. Se emplea un mecanismo de retroalimentación para controlar la posición de las tomas mediante la conmutación de relés apropiados para regular el voltaje de salida. Por lo general, consta de dos unidades:una unidad de detección y una unidad de regulación. El trabajo de la unidad sensora es determinar los niveles de voltaje de entrada y salida del estabilizador, mientras que la unidad reguladora mantiene el voltaje de salida en límites predeterminados aceptables.
Tradicionalmente, los circuitos integrados de amplificadores operacionales se utilizan junto con comparadores analógicos para el control en diseños de AVR basados en relés. Más recientemente, el uso de microcontroladores de 8 bits (MCU) ha aumentado significativamente en los AVR disponibles comercialmente controlados digitalmente. Sin embargo, se pueden lograr funciones y características similares utilizando ASIC de señal mixta programables GreenPAK ™ de bajo costo (circuitos integrados específicos de la aplicación) de Dialog Semiconductor. Este reemplazo puede ser ventajoso en términos de costos reducidos y requisitos de espacio, y no es necesario programar explícitamente una MCU.
En este artículo, explicamos cómo los desarrolladores pueden usar ASIC programables como un IC GreenPAK SLG46537V para desarrollar un AVR. El diseño general del sistema y el diseño de GreenPAK se describirán detalladamente. Para validar la viabilidad y operatividad de este AVR, también presentamos los resultados experimentales obtenidos de un prototipo.
Diseño del sistema
Figura 1:Diagrama de bloques. (Fuente:BarqEE)
El diagrama de bloques funcional del diseño AVR propuesto se muestra en la Figura 1. El sistema se basa esencialmente en un mecanismo de retroalimentación. El voltaje de CA en la salida del AVR está condicionado para reducirlo a los límites funcionales de CC del SLG46537V IC. Dependiendo del voltaje detectado, los relés apropiados son impulsados por el IC para seleccionar los devanados de derivación adecuados en el autotransformador.
Las especificaciones de un AVR dependen de la aplicación en particular. En este artículo, nuestro AVR tiene las siguientes especificaciones:
- El voltaje de entrada varía de 125 V a 240 V.
- La tensión de salida se regula entre 200 V y 240 V.
- Se proporcionan funciones de protección contra subtensión y sobretensión. Cuando la tensión de salida del AVR cae por debajo de 180 V (subtensión) o aumenta por encima de 255 V (sobretensión), se desconecta la alimentación de salida.
- Se utilizan cuatro relés electromecánicos en el diseño del AVR.
- Se usa un autotransformador para aumentar el voltaje que tiene una conexión neutra de 0 V y cuatro tomas adicionales a 135 V, 174 V, 196 V y 220 V.
- La forma de onda de salida y la frecuencia no se modifican con respecto a la entrada.
- El diseño del AVR (controlador) es económico.
- Los indicadores LED se utilizan para señalar condiciones normales, de sobrevoltaje o bajo voltaje.
Tenga en cuenta que estas especificaciones son arbitrarias. Las especificaciones dadas se pueden ajustar fácilmente en la configuración del GreenPAK IC dependiendo de la aplicación real.
Diseño funcional
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Figura 2:Diseño de AVR propuesto. (Fuente:BarqEE)
La Figura 2 muestra el diseño funcional propuesto del AVR usando el SLG46537V IC.
Acondicionamiento de energía
El bloque de acondicionamiento de energía alimenta el GreenPAK IC. Toma la CA viva como entrada y la reduce a 12 V, que luego se convierte a 5 VCC utilizando un IC regulador de voltaje adecuado.
Detección de voltaje CA
Para la detección de voltaje, el voltaje de CA de salida ( Live_out ) se reduce y rectifica para obtener un nivel de CC de bajo voltaje utilizando un diodo y una red de divisores resistivos. Posteriormente, se utiliza un filtro de salida (condensador electrolítico) para minimizar la ondulación y obtener una tensión continua uniforme y constante. También se emplea un condensador de derivación para filtrar los transitorios. Por lo tanto, un voltaje de CC filtrado ( Vsense ) es obtenido. Para garantizar que los niveles de voltaje de CC sean compatibles con el IC, se utilizó un factor de reducción de (aproximadamente) 0.01 (es decir, 200 VCA Û 2 VCC).
GreenPAK
Usando Vsense y con base en la lógica GreenPAK (Sección 2), el IC maneja los relés requeridos (a través de BJT) para su activación. Las salidas digitales del IC también se utilizan para alternar los indicadores LED para informar al usuario sobre las condiciones normales y de sobretensión / subtensión del AVR. Los esquemas del IC, que muestran las conexiones IO, se han proporcionado como referencia.
Actuación
Se emplean tres relés electromecánicos (RL1, RL2 y RL3) para cambiar el voltaje de CA de entrada ( Live_in ) conexión entre las tomas de 135 V, 174 V, 196 V y 220 V del autotransformador. Un cuarto relé electromecánico (RL4) se utiliza para desconectar la salida del AVR en caso de condiciones de subvoltaje o sobrevoltaje, evitando así cualquier daño a la carga adjunta en la salida del AVR.
GreenPAK Logic
El archivo de diseño completo creado en el software GreenPAK Designer (disponible de forma gratuita) se puede encontrar aquí.
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Figura 3:Esquema de diseño de GreenPAK. (Fuente:BarqEE)
La Figura 3 muestra el esquema del diseño de GreenPAK. Vsense se alimenta a diferentes comparadores utilizando el Pin 6. Los comparadores analógicos ACMP0 y ACMP1 se utilizan para la regulación en el rango de trabajo normal del AVR, mientras que ACMP2 y ACMP3 se utilizan para la detección de sobretensión y subtensión. Dado que la referencia interna máxima de los comparadores no se puede establecer en más de 1,2 V, se utiliza una ganancia de 0,33 para garantizar que el voltaje de salida se pueda comparar y categorizar correctamente en diferentes rangos. Las referencias de los comparadores se establecen para cumplir con las especificaciones descritas en la sección 1.2. Se emplea un bloque de máquina de estado asíncrono (ASM) para configurar una máquina de estado finito para la regulación de voltaje.
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Figura 4:Máquina de estado finito. (Fuente:BarqEE)
La Figura 4 muestra los cinco estados que se utilizan. En cada estado, los relés 1, 2 y 3 se activan utilizando las salidas ASM OUT3, OUT2 y OUT1 respectivamente. Esto permite la selección de los grifos de autotransformador relevantes y, en consecuencia, la relación de giro del autotransformador. Pasar del estado 0 al 4 provoca una disminución gradual en la relación de vueltas del autotransformador. La Tabla 1 muestra la correspondencia de cada estado con las relaciones de vueltas.
Tabla 1:Relaciones de giro AT correspondientes a cada estado (Fuente:BarqEE)
Estado 0 1 2 3 4 En relación de giro 220/135 ≈ 1,63 196/135 ≈ 1,45 220/174 ≈ 1,26 196/174 ≈ 1,13 220/220 =1
La regulación de voltaje se logra usando la transición de estado que ocurre si Live_out es mayor que el límite superior (≈ 240 VCA, establecido por referencia de ACMP1) o menor que el límite inferior (≈ 200 VCA, establecido por referencia de ACMP0). Si algún estado no produce el nivel de voltaje de salida regulado deseado (200 V
Para garantizar que los relés electromecánicos funcionen correctamente, las transiciones de estado abruptas se controlan mediante retrasos en la retroalimentación del bloque ASM. Con este fin, las salidas del bloque ASM OUT3, OUT4, OUT5, OUT6 y OUT7 se alimentan a los bloques de retardo DLY2, DLY3, DLY4, DLY5 y DLY6, respectivamente. La Figura 5 muestra la configuración del bloque RAM del ASM, donde se muestra el estado de cada una de las salidas binarias OUT0 - OUT7.
Los estados se retienen durante un período de tiempo predefinido tp (≈ 0,5 s) establecido en los retrasos. Las transiciones de estado ocurren solo si Live_out permanece fuera del rango deseado durante al menos tp. Las salidas de los retardos se retroalimentan a diferentes LUT (y bloques AND) junto con las salidas de ACMP0 y ACMP1, como se muestra en la Figura 4. Esto asegura que las transiciones de estado solo ocurran una vez que tp transcurra y Live_out esté fuera del rango deseado. La transición de estado particular depende de las salidas de ACMP0 y ACMP1. Por ejemplo, si se retiene el estado 1 para tp, no es posible la transición al estado 0 y al estado 2. Si se ha alcanzado el nivel de voltaje deseado, se mantiene el estado 1. De lo contrario, se produce una transición al estado 0 y al estado 2 dependiendo de si Live_out es mayor que el límite superior o menor que el límite inferior.
Otra característica importante del diseño propuesto de GreenPAK es la protección durante condiciones de sobrevoltaje y bajo voltaje. Los comparadores ACMP2 y ACMP3 se utilizan para condiciones de sobretensión y subtensión, respectivamente. La salida del ACMP2 y la salida invertida del ACMP3 se pasan a los bloques de retardo DLY0 y DLY1 para garantizar que no se detecten condiciones de sobrevoltaje y bajo voltaje para ningún transitorio. Posteriormente, las salidas de DLY0 y DLY1 se alimentan a un bloque LUT que decide si se trata de una condición normal, de sobretensión o de subtensión. En condiciones normales, RLY4 se mantiene energizado y el AVR regula el voltaje. De lo contrario, no es posible la regulación y el RLY4 se dispara. También se proporcionan al usuario indicaciones para las condiciones normales, de sobretensión y de subtensión. Resultados experimentales
Hardware experimental haga clic para ver la imagen en tamaño completo
La Figura 6 muestra la configuración experimental del prototipo. Una Variac se utiliza para controlar el voltaje de CA de entrada suministrado al AVR. El AVR contiene un autotransformador y una PCB que contiene los circuitos de control. Una placa de desarrollo GreenPAK está conectada a la PCB para controlar los relés electromecánicos. Se utiliza un osciloscopio para registrar los voltajes de entrada y salida. haga clic para ver la imagen en tamaño completo
La Figura 7 muestra el circuito de PCB donde se montan los relés electromecánicos, BJT y otros componentes auxiliares.
Datos de rendimiento de AVR
Los datos de rendimiento del AVR se resumen a continuación:
Resultados del osciloscopio
Las siguientes figuras muestran los registros del osciloscopio para la experimentación. Los marcadores amarillo y azul muestran los voltajes de entrada y salida respectivamente. haga clic para ver la imagen en tamaño completo
La Figura 8 muestra el resumen cuantitativo de los resultados experimentales para la funcionalidad normal del AVR. El voltaje de entrada se barre en un rango de voltaje (de bajo a alto) y se observa el voltaje de salida correspondiente. El IC impulsa con éxito los relés para cambiar las derivaciones del autotransformador y, por lo tanto, la relación de vueltas de 1,63 a 1 para la regulación de voltaje. haga clic para ver la imagen en tamaño completo
La Figura 9 muestra la funcionalidad normal del AVR donde la relación de derivación para giros de 1.63 se determina y selecciona con éxito. haga clic para ver la imagen en tamaño completo haga clic para ver la imagen en tamaño completo
La Figura 10 muestra las formas de onda de los voltajes de entrada y salida cuando se acerca la condición de sobrevoltaje. Ambos tienen formas de onda similares, ya que la relación de derivación de vueltas es 1.
La Figura 11 muestra el caso de la condición de sobretensión. Se puede ver que el voltaje de salida se colapsó debido a que el AVR disparó con éxito el RL4 para protección. haga clic para ver la imagen en tamaño completo haga clic para ver la imagen en tamaño completo
La Figura 12 muestra las formas de onda de voltaje de entrada y salida cuando se acerca la condición de bajo voltaje. El AVR selecciona el tap para la máxima relación de vueltas (1,63) en esta condición.
La Figura 13 muestra el caso de la condición de subtensión. Se puede observar que el voltaje de salida cae debido a que se ha disparado RL4 para protección.
Tenga en cuenta que no hay cambio de frecuencia o cambio de fase de los voltajes de entrada y salida cuando el AVR está regulando. Conclusiones
En este artículo, describimos el uso de ASIC programables como un IC GreenPAK SLG46537V como controlador para AVR, que son populares en aplicaciones residenciales e industriales. El ASIC puede reemplazar componentes discretos y MCU que se utilizan actualmente en estas aplicaciones. Se ilustró el papel del SLG46537V en el AVR propuesto y se explicó detalladamente el diseño de GreenPAK. Además, se presentaron los detalles de los experimentos en un AVR prototipo para validar el diseño propuesto.
Concluimos que el circuito proporciona amplias capacidades para servir como controlador, particularmente en AVR residenciales. Por lo tanto, las unidades de control para AVR se pueden diseñar utilizando el IC que son económicas y reducen la huella de PCB. Se pueden diseñar controladores más sofisticados utilizando otros ASIC que ofrecen ASM con más estados.
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Figura 5:Bloque RAM. (Fuente:BarqEE)
Figura 6:Configuración experimental. (Fuente:BarqEE)
Figura 7:Circuito de PCB. (Fuente:BarqEE)
Figura 8:Resumen experimental cuantitativo. (Fuente:BarqEE)
Figura 9:Funcionalidad normal. (Fuente:BarqEE)
Figura 10:Aproximación a la sobretensión. (Fuente:BarqEE)
Figura 11:Condición de sobretensión. (Fuente:BarqEE)
Figura 12:Aproximación a la subtensión. (Fuente:BarqEE)
Figura 13:Condición de subtensión. (Fuente:BarqEE)
Aamir Hussain Chughtai Actualmente es candidato a Ph.D. Ingeniería eléctrica en LUMS, Lahore. Sus áreas de trabajo están relacionadas con el procesamiento de señales, el aprendizaje automático y el IoT. Es cofundador de la startup de TI con sede en Lahore, BarqEE. Se puede contactar a Aamir en [email protected]. 
Muhammad Saqib recibió la Maestría en Ingeniería Eléctrica de NUCES, Lahore. Sus principales áreas de trabajo incluyen electrónica de potencia, sistemas integrados e instrumentación. Es cofundador de la startup de TI con sede en Lahore, BarqEE. Puede ponerse en contacto con M. Saqib en [email protected].
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