UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VICTORIA

MAESTRÍA EN INGENIERÍA

ESPECIALIDAD: MECATRÓNICA

Materia: Electrónica.

Catedrático: Dr. Rodolfo Echavarría Solís.

Reporte de proyecto final: Selector de fases.

Integrantes del equipo:

Francisco David Bazaldua Casas Matricula: 1129002

Gamaliel Contreras Castro Matricula: 1129004

Cd. Victoria, Tamaulipas, 14 de Diciembre de 2011

Selector de Fases Electrónica

INDICE

Introducción................................................................................................................................................3

¿Qué es un selector de fases?.......................................................................................................................3

El OpAmp como comparador......................................................................................................................4

Transformador.............................................................................................................................................6

Funcionamiento.......................................................................................................................................6

Relevadores.................................................................................................................................................7

Tipos de relés...........................................................................................................................................7

Ventajas del uso de relés.........................................................................................................................8

Transistores.................................................................................................................................................9

Material y equipo.......................................................................................................................................10

Desarrollo..................................................................................................................................................11

Resultados experimentales.......................................................................................................................13

Conclusiones.............................................................................................................................................14

Bibliografía................................................................................................................................................15

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Selector de Fases Electrónica

Introducción

En la siguiente práctica se construirá un selector de fases, el cual será presentado como proyecto de fin de cursos.Empezaremos por describir que es un selector de fases, como está construido, y describiendo los principales componentes que lo conforman, para ayudarnos a entender mejor su funcionamiento.Posteriormente se describirá el proceso de armado del dispositivo y los principales problemas surgidos en su construcción.

¿Qué es un selector de fases?

Es un dispositivo que permite alimentar una carga monofásica a través de una línea trifásica. La carga recibe alimentación de una de las fases y cuando se produce un corte en ésta fase, conmuta automáticamente a alguna de las dos restantes que tenga tensión. Totalmente automático, las conmutaciones se efectúan mediante relés y las mismas están adecuadas para evitar la generación de transitorios en cargas fuertemente reactivas.

Funcionamiento

El selector de fase se conecta a un sistema trifásico con neutro, obteniéndose una salida entre fase y neutro. Si hay tensión en la fase 1 y es mayor de 120 Vca, la salida del equipo permanece conectada a esta fase. Cuando no se cumple la condición indicada para la fase 1 el equipo conecta la salida a la fase 2, en donde permanece si la tensión es superior a 120 Vca y hasta que se restablezca la tensión en la fase 1.

Cuando tampoco se cumple la condición indicada para la fase 2 el equipo conecta la salida a la fase 3, en donde permanece mientras el valor de la tensión sea suficiente para alimentar el circuito de control (aprox. 120 Vca) y hasta que se restablezca la tensión en las fases 1 ó 2.

Si el valor de la tensión en la fase 3 no alcanza para alimentar el circuito de control, el equipo desconecta la salida.

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El OpAmp como comparador

Los comparadores son circuitos no lineales que, como su nombre indica, sirven para comparar dos señales (una de las cuales generalmente es una tensión de referencia) y determinar cuál de ellas es mayor o menor. La tensión de salida tiene dos estados (binaria) y se comporta como un convertidor analógico-digital de 1 bit. Su utilización en las aplicaciones de generación de señal, detección, modulación de señal, etc., es muy importante y constituye un bloque analógico básico en muchos circuitos. La función del comparador es comparar dos tensiones obteniéndose como resultado una tensión alta (VOH) o baja (VOL).En la figura 1.a se presenta el símbolo para representar comparadores que es el mismo que el utilizado para amplificadores operacionales. La operación de un comparador, representado en la VTC de la figura 1.b, se puede expresar como:

En el caso de que la tensión Vn esté fijada a 0, entonces la tensión de salida V0 = VOL o V0 = VOH

en función de si Vp < 0 o Vp >0, respectivamente. El comparador acepta señales analógicas a la entrada y proporciona señales binarias a la salida. Este elemento constituye un nexo de unión entre el mundo analógico y digital.

Figura 3: Comparador de tensión: a) Símbolo, b) VTC.

Los OAs pueden actuar como comparadores cuando la ganancia diferencial en lazo abierto sea alta (>10.000) y la velocidad no sea un factor crítico. Como ejemplo, el OA 741 se comporta como un elemento de entrada lineal si la tensión de entrada en modo diferencia está comprendida entre los valores –65µV < Vd < +65µV.Fuera de ese rango la etapa de salida del amplificador entra en saturación y puede comportarse como comparador.

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Figura 2. a) OA741 como comparador; b) VTC; c) Ejemplo de formas de onda entrada- salida.

En la figura 2.a se muestra una aplicación sencilla del OA 741 como comparador. El amplificador carece de realimentación y la VTC de la figura 2.b indica que siempre que V i > VT, entonces la salida es baja, y viceversa, si Vi < VT la salida es alta. Los límites alto y bajo de Vo

son establecidos por las tensiones de alimentación; en este caso ±15V. La figura 2.c muestra un ejemplo del comportamiento de este circuito a una entrada V i analógica. Aunque los OAs funcionalmente pueden actuar como comparadores, sus limitaciones hacen que sean inservibles para muchas aplicaciones.Tienen una limitación en frecuencia importante, un slew-rate bajo y unos retrasos tan elevados que únicamente son válidos a frecuencias bajas. Además, los OAs están pensados para actuar como amplificadores e incluyen técnicas de compensación en frecuencia no necesarias cuando operan como comparadores. A veces es necesario añadir una circuitería adicional cuando los niveles de tensión tienen que ser compatibles con TTL, ECL o CMOS. Por estas limitaciones, se han desarrollado comparadores monolíticos especialmente concebidos para aplicaciones de comparación.

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Transformador

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado, fabricado bien sea de hierro dulce o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Figura 3: Representación esquemática del Transformador

Funcionamiento

Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará por éste una corriente alterna que creará a su vez un campo magnético variable. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario.

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Relevadores

El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835.Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores". De ahí "relé".

Descripción:

En la Figura 4 se representa, de forma esquemática, la disposición de los distintos elementos que forman un relé de un único contacto de trabajo o circuito. En la Figura 4 se puede ver su funcionamiento y cómo conmuta al activarse y desactivarse su bobina.

Figura 4 : Representación de un relé.

Tipos de relés

Existen multitud de tipos distintos de relés, dependiendo del número de contactos, de la intensidad admisible por los mismos, tipo de corriente de accionamiento, tiempo de activación y desactivación, etc. Cuando controlan grandes potencias se les llama contactores en lugar de relés.

Relés electromecánicos Relés de tipo armadura Relés de núcleo móvil Relé tipo reed o de lengüeta Relés polarizados o biestables Relé de estado sólido Relé de corriente alterna Relé de láminas

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Ventajas del uso de relés

La gran ventaja de los relés electromagnéticos es la completa separación eléctrica entre la corriente de accionamiento, la que circula por la bobina del electroimán, y los circuitos controlados por los contactos, lo que hace que se puedan manejar altos voltajes o elevadas potencias con pequeñas tensiones de control. También ofrecen la posibilidad de control de un dispositivo a distancia mediante el uso de pequeñas señales de control.En el caso presentado podemos ver un grupo de relés en bases interface que son controlado por módulos digitales programables que permiten crear funciones de temporización y contador como si de un miniPLC se tratase. Con estos modernos sistemas los relés pueden actuar de forma programada e independiente lo que supone grandes ventajas en su aplicación aumentando su uso en aplicaciones sin necesidad de utilizar controles como PLC's u otros medios para comandarlos. Se puede encender una bombilla o motor y al encenderlo se apaga el otro motor o bombilla.

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Transistores

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos celulares, etc.Tipos de transistores

Transistor de contacto puntual Transistor de unión bipolar Transistor de unión unipolar o de efecto de campo Fototransistor

Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados en conversores estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado.El comportamiento del transistor se puede ver como dos diodos (Modelo de Ebers-Moll), uno entre base y emisor, polarizado en directo y otro diodo entre base y colector, polarizado en inverso. Esto quiere decir que entre base y emisor tendremos una tensión igual a la tensión directa de un diodo, es decir 0,6 a 0,8 V para un transistor de silicio y unos 0,4 para el germanio.Lo interesante del dispositivo es que en el colector tendremos una corriente proporcional a la corriente de base: IC = β IB, es decir, ganancia de corriente cuando β>1. Para transistores normales de señal, β varía entre 100 y 300.

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Material y equipo

Para la realización de este proyecto se utilizaron los siguientes componentes electrónicos, equipo y herramientas.

Componentes electrónicos

1 placa de pruebas (Protoboard) Diodos rectificadores Resistencias Varias Diodos Zener Potenciómetros Capacitores Varios Transistores de pequeña señal Transformadores de 120V a 24 volts Relevadores compactos CI 741-Opamp Terminales eléctricas Puentes de cable Caimanes eléctricos 1 placa fenológica perforada Bornes Soldadura eléctrica Gabinete de plástico con tapa

Equipo

Multímetro digital Fuente de voltaje

Herramientas

Pinzas de corte chicas Pinzas de punta chicas. Desarmadores Cautin eléctrico

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Desarrollo

El circuito del selector de fases esta compuesto por alrededor de un transformador de 120V a 24V, un comparador hecho a base de Opamps en especifico el CI741, Un transistor de pequeña señal el BC557, y un relevador de 12V-7A. 3 circuitos idénticos componen en si el sistema completo. Su funcionamiento se basa en que tenemos una fase alimentando el transformador para que entregue 12V a 500mA, el cual es rectificado por los diodos 1n4007 y filtrados por un capacitor de 1000µF a 65V Para producir el voltaje necesario para que opere el amplificador operacional. Una vez teniendo esto se tienen en la entrada inversora del amplificador un voltaje de un divisor de voltaje que proviene de una resistencia de 3.3KΩ y un potenciómetro de 10KΩ el cual es usado para poner un voltaje de referencia en la entrada inversora del opamp. En la entrada no inversora se tiene conectado un Diodo Zener de 5.1V fijos.Mientras el voltaje en la fase 1 se mantenga arriba de los 120Vca el voltaje en la entrada inversora del Opamp se mantiene activa, o sea mayor a la del voltaje de referencia de 5.1V del Diodo Zener y la salida del comparador también se mantiene activa. Como resultado el transistor BC557 no conduce, el relevador se mantiene desenergizado y la fase 1 alimenta energía a la carga monofásica a través del terminar normalmente cerrada del relevador. Tan pronto el voltaje de la fase 1 baja de los 120Vca el voltaje en la entrada inversora del comparador baja por debajo del voltaje de referencia de 5.1V que el diodo zener esta entregando. Así la salida del comparador es baja y el transistor conduce y el relevador se energiza y la carga monofásica es desconectada de la fase 1 y se conecta a la fase 2 a través del segundo relevador. Lo mismo pasa cuando la fase 2 baja su voltaje a menos de 120Vca, la carga se cambia a la fase 3 de la misma manera.

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Figura 5.-Circuito comparador y conmutador para una fase.

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Diagrama para la simulación del selector de fases

La simulación del selector de fase se realizó con el paquete Multisim 11. En el cual se realizaron varias pruebas para el observar el funcionamiento correcto del circuito y analizar varios aspectos y variables que podrían afectar al circuito ya armado.En la simulación se pudo observar el desfasamiento que conlleva usar una alimentación trifásica y como al hacer el cambio de la carga de una fase a otra las fases no llevan el mismo ángulo y como puede afectar esto a la carga si es muy sensible.

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Figura 6.- Circuito completo del Selector de Fases

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Resultados experimentales

Una vez teniendo el material adecuado y habiendo realizado la simulación del circuito con éxito se procedió al ensamble del circuito y su instalación en un gabinete de plástico para su presentación.

El circuito ya ensamblado en el gabinete se puede observar en la siguiente figura. Se pueden observar los tres transformadores para cada una de las 3 fases así como también los 3 circuitos que nos compararan el voltaje y los relevadores que harán el cambio entre las fases. Se tiene que tener en consideración que se debe de usar Fusibles de amperaje adecuado a la carga que se le quiera conectar así como también el calibre del cable entre las conexiones debe ser el adecuado para que no exista algún malfuncionamiento una ves este sea conectado. De igual manera se recomienda tener un switch de encendido que se puede poner en la fase 1 para tener un mejor control del circuito. Los potenciómetros o perrillas que se encuentran a un costado del gabinete están conectados a cada uno de los comparadores para poder ajustar el voltaje de referencia encaso de que se requiera que la carga aun pueda trabajar con un voltaje menor y queramos que no se realice el cambio cuando baje de 120Vca si no de una cantidad menor a los 120Vca.

En las pruebas realizadas en el laboratorio se pudo comprobar el cambio que se hace en los relevadores al variar el voltaje de las fases. Se puede ver como las entradas de los comparadores cambian y se activa o desactiva el relevador a través del transistor entrando en conducción o no. Se debe tener cuidado al conectar de manera correcta las fases y el neutro para que no ocurra un corto y por eso de igual forma se recomienda el uso de fusibles de amperaje adecuado.

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Figura 7: Circuito armado en la placa fenolitica Figura 8: Gabinete plástico del circuito.

Figura 9: Circuito colocado dentro del gabinete. Figura 10: Potenciómetros para ajuste de referencias.

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Conclusiones

En la construcción y diseño de este proyecto surgieron varios problemas, los cuales se fueron resolviendo a medida que se avanzaba en su construcción, los principales problemas surgidos fueron:

Conseguir los componentes electrónicos necesarios para su construcción, ya que no se cuenta con suficientes proveedores de componentes electrónicos en la localidad.

Realizar la simulación del circuito, ya que fue necesaria para detectar los problemas que podrían surgir cuando se realizara físicamente.

Realizar las pruebas al circuito físico debido a la falta de equipo especializado para pruebas.

Uso debido de Fusibles con el amperaje correspondiente así como el uso de relevadores que satisfagan el requerimiento de amperaje de la carga.

La construcción y diseño de este proyecto, fue de gran importancia para mejorar la comprensión de los conceptos aprendidos en el curso.

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Bibliografía

1.- http://www.ingeo-electronica.com.ar/selectores-de-fase.htm

2.- www.lompower.com.ar/.../9.3.-%20ACCESORIO

3.- Análisis de circuitos en ingeniería, 7ma ed.Willian H. Hayt, Jr – Jack E. Kemmerly – Steven M. Durbin, Capítulo 6: El amplificador operacional.

4.- Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, octava edición, Boylestad Nashelsky Capitulo 13: Amplificadores Operacionales.

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