Resumen. En este artículo se presenta el diseño y puesta en

funcionamiento de un convertidor AC-DC trifásico con tiristores

(rectificador semicontrolador), con una potencia máxima de 1200

W. El convertidor se elaboró bajo una concepción didáctica [1]

por un grupo de estudiantes de ingeniería como proyecto final del

área de electrónica de potencia. Se presenta la integración de dos

tipos de dispositivos utilizados en los sistemas embebidos actuales

como son los microcontroladores PIC y los arduino nano. El

microcontrolador PIC se encarga de recibir y procesar las señales

de sincronización del rectificador con la red y entregar las señales

de control a los tiristores. El ángulo de disparo para controlar el

voltaje de salida DC del rectificador es enviado mediante

comunicación UART al microcontrolador PIC desde un arduino

nano, que además maneja una pantalla GLCD y un botón joystick,

utilizados para presentar información del estado del rectificador y

modificar el voltaje deseado en la carga. El sistema embebido

estima mediante un algoritmo el voltaje DC de salida del

rectificador y calcula la corriente DC medida a la salida del mismo.

Finalmente se presentan algunos resultados obtenidos en

laboratorio del convertidor construido.

Palabras claves— Microcontrolador, tiristores, arduino.

I. INTRODUCCIÓN

a electrónica de potencia ha evolucionado dramáticamente

en los últimos 20 años convirtiéndose en una de las áreas

básicas en las carreras con enfoque en electrónica. Rashid en

[2] afirma categóricamente que: “El desarrollo en los elementos

semiconductores ha propiciado que se puedan realizar

conversiones de energía de manera eficiente y a niveles

elevados de potencia, lo cual satisfacen las necesidades

crecientes de las aplicaciones industriales y de transporte

(Trenes, automóviles, metros, barcos, ascensores)” Así mismo

el auge de los microncontroladores ha proporcionado el

desarrollo de sistemas embebidos cada vez más potentes, que

reemplazan gran cantidad de elementos discretos

(amplificadores operacionales, transistores, resistencias, etc)

para la implementación de una tarea específica en diversas

aplicaciones (ejemplo de esto esta los circuitos de disparo de

los tiristores).

Los convertidores de control de fase se pueden clasificar en

dos tipos, dependiendo de la fuente de alimentación, como

monofásicos o trifásicos. Cada tipo se puede subdividir en

convertidor completo o semiconvertidor que puede funcionar

como rectificadores o inversores conmutados a la frecuencia de

red. El semiconvertidor trifásicos se utilizan en aplicaciones

industriales hasta el nivel de 120kW, en los que se requiere de

una operación de un cuadrante [3]. Conforme aumenta el

ángulo de retraso se reduce el factor de potencia de este

convertidor [4], [5] y el voltaje de salida del mismo. Este

rectificador se utiliza en aplicaciones como de refrigeración,

aire acondicionado, fuentes de alimentación ininterrumpibles

(UPS)), en energía (Transmisión de corriente continua, enlaces

de frecuencia, control de potencia reactiva, compensación de

armónicas), en generadores de alta corriente alterna,

accionamiento de motores DC, entre otros. Dado que los

semiconvertidores en la industria fueron de los primeros

convertidores usados masivamente en la industria, son una

herramienta importante en la academia; debido a que

proporciona una base de conocimiento para entendimiento del

comportamiento de los rectificadores controlados a alta

frecuencia que actualmente se encuentran en el mercado.

En este artículo se muestra el diseño y construcción de un

semiconvertidor trifásico con tiristores conectado a una red en

Y de 220 Vrms de voltaje de línea, con una potencia de salida

máxima de 1200 W y un voltaje de salida entre 0 a 310 V,

desarrollado como proyecto final en el área de electrónica de

potencia de la escuela de Ingeniería Electrónica de la UPTC

sede Sogamoso. El semiconvertidor es controlado mediante un

sistema embebido compuesto por un microcontrolador de la

familia PIC, encargado de la sincronización y disparo de los

tiristores que se comunica vía UART con un Arduino nano que

se encarga de mostrar en una GLCD la medición de la corriente

DC en la carga y estima mediante un algoritmo el voltaje DC

de la misma.

II. SEMICONVERTIDOR TRIFÁSICO TIPO PUENTE

La topología básica de un rectificador controlado se muestra

en la Fig. 1, donde se observa como la alimentación trifásica

alterna se conecta al punto medio del diodo y del SCR. El

convertidor tiene una operación de un cuadrante y se adiciono

un diodo de marcha libre como protección para cargas

altamente inductivas [6].

Fig. 1. Semiconvertidor Trifásico

INTEGRACION DE UN SISTEMA EMBEBIDO (PIC - ARDUINO

NANO) PARA EL CONTROL DE UN SEMICONVERTIDOR

TRIFASICO TIPO PUENTE

Camilo A. Sanabria, Linda Y. Vanegas, Laura T. Guio, Oliverio Ortiz.

L

La Fig. 2 muestra las formar de onda de los voltajes de

entrada, y del voltaje de salida del rectificador. La frecuencia

del voltaje de salida es de 6 veces la frecuencia del voltaje de

entrada, el ángulo de retraso α se puede variar de 0 hasta π,

Durante el periodo de π/6 < ωt < 7π/6, el tiristor T1 tiene

polarización directa o positiva. El convertidor tiene dos modos

de operación dependiente el valor del ángulo de disparo α que

se observan en la Fig. 2. El primer modo que se conoce como

continuo y ocurre cuando el ángulo de disparo 𝛼 ≤ 𝜋/3, en

donde se conmutan dos diodos y un tiristor; para valores de α

superiores a la condición anterior, se presenta el modo

discontinuo donde la señal de voltaje de salida será cero en

algunos instantes de tiempo.

a)

b)

Fig. 2. Tensiones de salida y entrada del Puente Rectificador Trifásico

semicontrolado con ángulos de disparo: a) α = 5, b) α = 95.

Para la selección de los elementos semiconductores se

consideran aspectos como la potencia máxima que debe

entregar el convertidor y el voltaje máximo de entrada. Esta

información se presenta en la tabla I, en donde se han calculado

los valores de corriente continua DC y corriente RMS máximos

que deben soportar los semiconductores con las siguientes

expresiones (se asumen una carga resistiva):

_

4 6

DC_S pico load0

I = I cos t d t2

(1)

2 2

_

4 6

rms_S pico load0

I = I cos t d t2

(2)

TABLA I

Características del puente semicontrolado

Potencia de la carga 1200 W

Voltaje de línea de entrada 220 Vrms

Voltaje de salida máximo DC 297.1 V

Corriente de salida máxima DC 4.04 A

Corriente DC del semiconductor 1.35 A

Corriente RMS del semiconductor 2.33 A

Voltaje de pico inverso 311.13 V

Para cumplir con las especificaciones propuestas y

considerando la disposición comercial se elige el SCR 40TPS16

que soporta 1600 V en voltaje inverso y una corriente RMS de

55 A, y el diodo P600M con un voltaje de pico inverso de 1000

V y una corriente promedio máxima de 6 A.

A continuación se mostrara como diseñar de forma didáctica

las etapas de sincronización y disparo de tiristor, considerando

las especificaciones dadas por los fabricantes de los diferentes

dispositivos.

A. Etapa de sincronización.

Para el correcto funcionamiento del rectificador controlado,

es necesario tomar señales de sincronización de la red eléctrica

de entrada a 220 Vrms. Existen dos formas de lograr esta

sincronización con una condición de aislamiento entre los

dispositivos a saber: transformador (aislamiento galvánico),

opto-transistor (aislamiento óptico). Para el presente proyecto

se usa la opción del opto-transistor en la topología [7] mostrada

en la Fig 3; la topología permite convertir la señal de entrada

senoidal en una señal cuadrada, identificando de esta forma el

semi-ciclo positivo de la entrada (0 - π). Es importante aclarar

que lo que se busca con esta señal es obtener un punto de

referencia (flanco ascendente para el diseño planteado por

cambio de nivel 0 a 1 lógico) para que el sistema embebido lo

interprete como una entrada y genere las señales de disparo

correspondiente a cada tiristor.

Fig. 3. Circuito de cruce por cero con opto acopladores y Smith-trigger.

Para realizar los disparos adecuadamente se debe tener en

cuenta si la red trifásica se está utilizando en secuencia positiva

(0,-120 y -240) o negativa (0,120 y -120), lo cual cambiara las

conexiones de entrada al circuito de la Fig. 3.

El valor de la resistencia R1 de la Fig. 3, se obtiene teniendo

en cuenta que el voltaje que cae sobre esta, es el voltaje DC de

una señal sinusoidal rectificada, debido al diodo rectificador en

serie, el cual es necesario ya que el diodo que contiene el opto-

transistor seleccionado (PC817) [8] tiene tensión de ruptura de

6V según lo indica el datasheet. Se elige una corriente de 5mA

Voltaje de salida

Vab

Vbc

Vca

en R1, de tal forma que el valor correspondiente y la potencia

que debe disipar se calculan en las siguientes expresiones:

103,5

20,7 225

Rdc

Rdc

V VR k k

I mA (3)

2162,6

1,222

RrmsR

V VP W

R k

(4)

Para determinar el valor del resistor R6 en la Fig. 3, se utiliza

la curva de relación de transferencia de corriente (CTR) del

opto-transistor presentada en Fig. 4, en donde se observa que

para una corriente de 5mA en el led, se tiene un 120% de CTR,

por lo tanto se obtiene una corriente de colector de 6 mA. Para

determinar el valor de R6, también se debe considerar la

velocidad de conmutación que se desea del transistor. En la fig.

5 se muestra las características de conmutación del PC817 y los

tiempos esperados dependiendo de la resistencia que se coloque

en el colector del mismo.

Fig. 4. Current transfer Ratio Vs Forward Current

Finalmente al considerar la información dada en las Fig. 4 y

5, se selecciona un valor de R6 igual a 1kΩ, lo que garantiza un

tiempo conmutación mínimo del opto-transistor de 40us, en las

condiciones de operación planteadas.

B. Disparo de los tiristores.

Los tiristores seleccionados deben tener un circuito de

disparo que entregue un pulso de corriente de al menos 100 µs,

para lograr conmutar de su estado de apagado a encendido,

cuando se encuentren polarizados en directa. Entre las

diferentes formas posibles, se seleccionó para el proyecto el

circuito de disparo basado en opto-triac como se muestra en la

Fig. 6. Este circuito recibe la señal del sistema embebido de

control y mediante el valor adecuado de R11, se ajusta el valor

mínimo de corriente de compuerta necesario para disparar el

SCR.

La resistencia de entrada al opto-triac se seleccionó de tal

manera que se tenga un valor de 10 mA de corriente en el led

cuando se está operando a una lógica TTL de 5V, lo que

garantiza que la transferencia óptica sea la adecuada para

permitir una rápida conmutación del triac.

a)

b)

Fig. 5.a) Esquema de conmutación del PC817, b) Tiempos de respuesta del

PC817 dependiendo de la resistencia de carga

Fig. 6. Circuito para el disparo del tiristor basado en el opto-triac MOC3021.

La resistencia R11 como se mencionó antes tiene la función

de garantizar la corriente mínima de compuerta para ángulos de

disparos pequeños, donde el valor del voltaje ánodo-cátodo del

SCR es pequeño, pero también se debe limitar la corriente

máxima de compuerta cuando el voltaje instantáneo ánodo-

cátodo este en su valor máximo (ángulo de disparo de 90°). La

corriente pico no repetitiva del optoacoplador MOC3021 es de

1,2A y la corriente pico de la compuerta del 40TPS08 es de

2.5A, lo cual con lleva a que la resistencia debe limitar la

corriente de 1,2A del optoacoplador como se muestra:

min

325,27271

1,2

390

Triac

FSM

Triac

VmLL VR

I A

R

(5)

Se puede seleccionar resistencias de 300Ω, 330Ω, 360Ω,

pero no es aconsejable dejar resistencias tan cercanas debido a

que el voltaje pico de línea a línea puede variar implicando un

cambio en la corriente y un posible daño al optoacoplador por

corrientes altas.

El diodo que se encuentra en serie con el triac del optotriac y

la resistencia, tiene la función de evitar disparos del SCR ante

posibles ruidos de la red, pues tiene que superar el voltaje de

encendido del diodo, además evita que llegue al SCR señales

de disparo en el semiciclo negativo debido a una mala conexión

de las fases. Considerando el voltaje pico en inversa (VRRM en

los datasheet) que debe soportar el diodo (325.12 V), los diodos

rectificadores a usar debe ser de referencias 1N4004 a 1N4007

ya que tiene un VRRM mayor al calculado.

III. SISTEMA EMBEBIDO

En la Fig. 7 se observa el sistema embebido conformado por

un microcontrolador de la familia PIC 18F2550 que se encarga

de recibir las señales provenientes del circuito de

sincronización y entregar los pulsos de disparo a cada uno de

los tiristores. Mediante el protocolo UART el microcontrolador

PIC se comunica con un Arduino nano encargado como se

observa en la Fig. 7 de manejar una pantalla GLCD donde se

presenta al usuario del sistema la información de voltaje DC,

corriente DC y potencia que se está entregando a la carga,

además de informar cual es el ángulo de disparo actual. El

ángulo de disparo se modifica mediante un joystick que se

conecta al Arduino nano.

CIRCUITO DE CONTROL

PIC

Circuito detector de cruce por cero

Etapa de Potencia

SEÑAL SEÑAL PPM

UA

RT

ARDUINOSeñal de referencia

(joystick)Pantalla

GLCD

Fig. 7. Diagrama de bloque implementado para el desarrollo del proyecto.

El sistema embebido se encarga de resolver las ecuaciones

(6), (7) y (8) de forma discreta para determinar el voltaje DC

para los modos de conducción continuo (α ≤ 60°) y discontinuo,

así como el valor de la corriente DC. En las ecuaciones se toma

un voltaje de línea de 220 Vrms.

Modo Continuo:

2

6

5

6

2

263

22

6

L

DC

L

V sen t d t

V

V sen t d t

(6)

Modo Discontinuo:

7

6

6

32

2 6DC LV V sen t d t

(7)

Corriente DC:

2

2

1( )

T

TDC LoadI i t dtT

(8)

A. Microcontrolador PIC

En la Fig. 8 se observa el diagrama de flujo correspondiente al

programa principal en donde se seleccionaron tres puertos del

microcontrolador que corresponde a dos señales de entrada

(puerto A y puerto B) y una señal de salida (puerto C). Así

mismo se configuro el oscilador externo con frecuencia de 20

MHz, el módulo de la UART a 9600 baudios, los Timers a 16

bits y las interrupciones externas por flanco ascendente.

Fig. 8. Diagrama de flujo del voltaje implementado en el microcontrolador pic

18f2550.

El microcontrolador PIC 18F2550 [9] recibe las señales de

los tres circuitos de sincronización, de donde se obtienen tres

ondas cuadradas que son leídas por el microcontrolador

mediante interrupciones por flanco descendentes, estas

interrupciones están encargadas de interrumpir el programa

principal y realizar la asignación del tiempo de desborde de los

TIMER0, TIMER1 y TIMER3, de acuerdo al ángulo de disparo

que se le desea asignar. Al ocurrir una interrupción interna por

desborde de los TIMERS se envía un pulso de activación a los

SCR, cada TIMER activando un SCR, el pulso de desactivación

se envía en el programa principal para no tener tiempos de

latencia muy altos en la interrupción ya que es necesario que en

las interrupciones tome el menor tiempo posible, para lograr

atender todas las interrupciones.

Se emplea la interrupción de recepción del USART para

recibir el dato del ángulo de disparo, enviado por el arduino

nano, tomando este valor y convirtiéndolo a un valor de 16 bits

de acuerdo al tiempo de retardo del ángulo y finalmente cargar

este valor a los TIMERS.

La Fig. 9 muestra el código programado en lenguaje C donde

se muestra el cálculo matemático para la obtención de un valor

numérico de voltaje y las interrupciones necesarias para esto.

Fig. 9 Programa en C del cálculo de voltaje.

B. Arduino nano

El módulo de Arduino que se implementó en este proyecto

es un Arduino nano [10] el cual se comunica con el

microcontrolador mediante la USART pero que a su vez cumple

un papel importante ya que este recibe la lectura del joystick

que nos proporciona el ángulo de disparo y así mismo

mediante la entrada del módulo ADC toma la lectura de un

sensor de corriente (Fig. 12), que se encuentra conectado en

serie a la carga para saber en tiempo real el valor de la corriente

que circula a la salida del sistema, para observar este valor se

implementó una GLCD que ha sido programada con la ayuda

del Arduino nano en donde se muestra el valor de voltaje,

corriente y el ángulo en el cual se disparó el sistema.

En la Fig. 9 se observa el diagrama de flujo correspondiente al

programa del Arduino nado en donde se configuro, el módulo

de la UART a 9600 baudios, la lectura analógica del

potenciómetro del joystick y el envío de datos a la GLCD.

Fig.10. Diagrama de flujo de corriente implementado en Arduino nano.

En la Fig. 11 se muestra el código del algoritmo desarrollado

en el Arduino para la medición de la corriente en donde se a

tomado una ventana de muestreo de 1sg y por lo tanto se

almacena 1000 muestras para el cálculo de la corriente DC a la

salida del rectificador semicontrolado

Fig. 11 Programa en C del cálculo de la corriente.

IV. RESULTADOS

En la Fig. 12 se observa el prototipo final del semiconvertidor

trifásico con tiristores conectado a una red en Y de 220 Vrms

de voltaje de línea diseñado.

Fig. 12. Prototipo final implementado en la práctica.

En la Fig.13 a 16, se muestra las señales de voltaje y corriente

a la salida del prototipo para diferentes ángulos de disparo. En

la Fig. 13 se tiene una carga resistiva y el ángulo de disparo

corresponde a 30°, colocando al rectificador en el modo de

conducción continúa con un voltaje de salida de 300 V

aproximadamente. En la Fig. 14 se muestra el límite entre el

modo de conducción continua y el discontinuo. En la Fig. 15 se

ha colocado un ángulo de disparo mayor a 60°, lo que conduce

al modo discontinuo. En la Fig.16, se muestran la señales de

voltaje y corriente para una carga RL (motor DC).

Fig. 13. Señal de voltaje y corriente con ángulo de disparo de α = 30°

Fig. 14. Señal de voltaje y Corriente con un ángulo de disparo α = 60°

Fig. 15. Señal de voltaje y corriente con ángulo de disparo de α = 120°

Fig. 16. Señal de corriente y voltaje a la salida con carga RL

V. CONCLUSIONES

Se logró integrar dos dispositivos utilizados en los sistemas

embebidos como los son los microcontroladores PIC y el

arduino nano para controlar de manera exitosa un rectificador

trifásico semicontrolado conectando una red trifásica. Esta

integración permitió dividir las tareas de procesamiento entre

los dispositivos elegidos de tal manera que las tareas de

sincronización, disparo y medición son realizadas

adecuadamente.

Se obtuvo un error en las mediciones de voltaje y corriente

en el modo continuo mediante los algoritmos implementados en

el sistema embebido menor al 2 % con respecto a lo medido en

el osciloscopio. En modo discontinuo las mediciones de

corriente alcanzaron un error de 4 %, pero las mediciones de

voltaje alcanzaron un error de 15 %.

VI. REFERENCIAS

[1] F. Gastón and G. Luciano “Implementación de un Rectificador

Controlados con Fines Didácticos”, presented at the XXII Congreso

Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.

[2] H. Rashid, Muhammad. “Electrónica de Potencia, circuitos, dispositivos

y aplicaciones”, 2ª ed., 1995, Prentice Hall.. pp. 37-187. [3] J.M. Benavent García, A. Abellán G., E. Figueres A. “Electrónica de

Potencia, teoría y aplicaciones”, 1ª ed. 2000, Alfaomega.

[4] B. R. Pelly, Thvristor Phase-Controlled Converters and Cvcloconverters. New York: Wiley-Interscience. 1971.

[5] R. M. Davis. Power Diode and Thvristor Circuits. Cambridge, England:

University Press. 1971. [6] MOHAN, Undeland, Ronnins.”Power Electronics: Converter,

Application and Design”. J. Wiley, 1989.

[7] SAVANT Jr, CJ., Roden, Martin y Carpenter, Gordon. Diseño Electrónico Circuitos y Sistemas.Tercera Edición. Editorial Pearson

Education. 2000.

[8] Ficha técnica Sharp PC817 Series, Septiembre 2016 [Online].Disponible:http://akizukidenshi.com/download/PC817C.pdf.

[9] Sigma Electrónica, Ficha técnica PIC18F2550 Series, septiembre de 2016 [Online].Disponible:

http://www.sigmaelectronica.net/manuals/PIC18F2550.pdf

[10] Sigma Electrónica, Manual Arduino Nano, Septiembre 2016[Online].Disponible:http://www.sigmaelectronica.net/manuals/Ardui

noNanoManual.pdf.

Camilo Andrés Sanabria Totaitive, (1982- ) Ingeniero Electrónico con

grado de honor en Ingeniería de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de

Colombia, sede Sogamoso, Maestría en Ingeniería Electrónica con énfasis en electrónica de Potencia de la Pontificia Universidad Javeriana. Investigador del

grupo en Robótica y Automatización Industrial GIRA UPTC. Docente auxiliar

de la escuela de Ingeniería Electrónica sede Sogamoso de la Universidad

Pedagógica y Tecnológica de Colombia

Linda Yesenia Vanegas Cano, Estudiante de último semestre de Ingeniería

Electrónica de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, sede Sogamoso, Tecnóloga en Electrónica de la Fundación Universitaria Juan de

Castellanos y semillero en el grupo de investigación en Robótica y

Automatización Industrial GIRA UPTC.

Oliverio Ortiz Pedroza, nació en Tunja, Boyacá, en 1992. Ingeniero

Electrónico de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, actualmente realiza la especialización en Bases de Datos en esta misma

universidad.

Laura Teresa Guio Sandoval, Ingeniero Electrónico de la Universidad

Pedagógica y Tecnológica de Colombia, sede Sogamoso, especialización en

curso de Telecomunicaciones, semillero en el grupo de investigación en Robótica y Automatización Industrial GIRA UPTC.