Uma abordagem mais eficaz para desenvolver reguladores automáticos de tensão AC-AC
Os reguladores automáticos de tensão (AVRs) são usados para regular um nível de tensão fornecido, compensando quaisquer flutuações nas tensões de entrada. Os AVRs também são comumente conhecidos como estabilizadores de tensão e têm aplicações em muitas aplicações industriais e residenciais. Por exemplo, os AVRs são usados em grupos geradores em navios, em fontes de alimentação de emergência e em plataformas de petróleo para estabilizar os níveis de tensão durante as flutuações na demanda de energia.
Para as concessionárias de energia, a regulação da tensão na rede de distribuição é uma responsabilidade fundamental na determinação da qualidade da energia fornecida aos consumidores finais. Para tanto, as concessionárias devem garantir o planejamento adequado de curto e longo prazo, a manutenção dos equipamentos de energia e a implantação de reguladores nas linhas de distribuição. No entanto, essa pode ser uma tarefa desafiadora, especialmente em algumas regiões do mundo. Em muitos países do sul da Ásia, incluindo Paquistão, Índia e Bangladesh, o sistema de distribuição de energia é frágil devido a problemas de roubo de energia e escassez de geração de energia, o que pode levar a períodos de redução de carga e outras interrupções. Como resultado, os usuários finais podem enfrentar problemas de flutuações de tensão da linha de alimentação. Portanto, para garantir a segurança e a funcionalidade adequada de dispositivos caros, como condicionadores de ar, geladeiras e televisores, o uso de pequenos AVRs portáteis é muito popular. AVRs são dispositivos fáceis de usar que geralmente operam em uma faixa predefinida de níveis de tensão (por exemplo, 150 V - 240 V ou 90 V - 280 V).
Funcionalmente, os AVRs geralmente usam um autotransformador com derivação para manter a saída CA em uma faixa aceitável. Um mecanismo de feedback é empregado para controlar a posição das tomadas, alternando os relés apropriados para regular a tensão de saída. Isso geralmente consiste em duas unidades:uma unidade de detecção e uma unidade de regulação. O trabalho da unidade de detecção é determinar os níveis de tensão de entrada e saída do estabilizador, enquanto a unidade de regulação mantém a tensão de saída em limites predeterminados aceitáveis.
Tradicionalmente, os ICs op amp são usados em conjunto com comparadores analógicos para controle em projetos de AVR baseados em relé. Mais recentemente, o uso de microcontroladores de 8 bits (MCUs) aumentou significativamente em AVRs controlados digitalmente disponíveis comercialmente. No entanto, funcionalidades e recursos semelhantes podem ser obtidos usando ASICs de sinais mistos programáveis GreenPAK ™ de baixo custo (circuitos integrados de aplicativos específicos) da Dialog Semiconductor. Esta substituição pode ser vantajosa em termos de custo reduzido e requisitos de espaço, e não há necessidade de programar explicitamente um MCU.
Neste artigo, explicamos como os desenvolvedores podem usar ASICs programáveis, como GreenPAK SLG46537V IC para desenvolver um AVR. O projeto geral do sistema e o projeto GreenPAK serão descritos detalhadamente. Para validar a viabilidade e operacionalidade deste AVR, também apresentamos os resultados experimentais obtidos a partir de um protótipo.
Design do sistema
Figura 1:Diagrama de blocos. (Fonte:BarqEE)
O diagrama de blocos funcional do projeto AVR proposto é mostrado na Figura 1. O sistema é essencialmente baseado em um mecanismo de feedback. A tensão CA na saída do AVR é condicionada para reduzi-la aos limites CC funcionais do SLG46537V IC. Dependendo da tensão detectada, os relés apropriados são acionados pelo IC para selecionar os enrolamentos de derivação adequados no autotransformador.
As especificações de um AVR dependem da aplicação particular. Neste artigo, nosso AVR tem as seguintes especificações:
- A tensão de entrada varia de 125 V a 240 V.
- A tensão de saída é regulada entre 200 V e 240 V.
- Recursos de proteção de subtensão e sobretensão são fornecidos. Quando a tensão de saída do AVR cai abaixo de 180 V (subtensão) ou sobe acima de 255 V (sobretensão), a alimentação de saída é desconectada.
- Quatro relés eletromecânicos são usados no projeto do AVR.
- Um autotransformador é usado para aumento de tensão que tem uma conexão neutra de 0 V e quatro tomadas adicionais em 135 V, 174 V, 196 V e 220 V.
- A forma de onda de saída e a frequência permanecem inalteradas em relação à entrada.
- O design do AVR (controlador) é barato.
- Os indicadores LED são usados para sinalizar condições normais, de sobretensão ou subtensão.
Observe que essas especificações são arbitrárias. As especificações fornecidas podem ser facilmente ajustadas na configuração do GreenPAK IC dependendo da aplicação real.
Design funcional
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Figura 2:Projeto AVR proposto. (Fonte:BarqEE)
A Figura 2 mostra o projeto funcional proposto do AVR usando o SLG46537V IC.
Condicionamento de energia
O bloco de condicionamento de energia alimenta o GreenPAK IC. Ele pega o AC vivo como entrada e desce para 12 V, que é posteriormente convertido para 5 VDC usando um regulador de tensão adequado IC.
Sensor de Tensão AC
Para detecção de tensão, a tensão CA de saída ( Live_out ) é reduzido e retificado para obter um nível CC de baixa tensão usando uma rede de diodo e divisor resistivo. Posteriormente, um filtro de saída (capacitor eletrolítico) é usado para minimizar a ondulação e obter uma tensão contínua constante e suave. Um capacitor de desvio também é empregado para filtrar os transientes. Portanto, uma tensão DC filtrada ( Vsense ) é obtido. Para garantir que os níveis de tensão DC sejam compatíveis com o IC, um fator de redução de (aproximadamente) 0,01 foi usado (ou seja, 200 VAC Û 2 VDC).
GreenPAK
Usando o Vsense e com base na lógica GreenPAK (Seção 2), o IC aciona os relés necessários (por meio de BJTs) para atuação. As saídas digitais do IC também são usadas para alternar os indicadores LED para informar o usuário sobre as condições normais e de sobretensão / subtensão do AVR. Os esquemas do IC, mostrando as conexões IO, foram fornecidos para referência.
Atuação
Três relés eletromecânicos (RL1, RL2 e RL3) são empregados para alternar a tensão CA de entrada ( Live_in ) conexão entre as tomadas 135 V, 174 V, 196 V e 220 V do autotransformador. Um quarto relé eletromecânico (RL4) é usado para desconectar a saída do AVR em caso de condições de subtensão ou sobretensão, evitando assim qualquer dano à carga anexada na saída do AVR.
GreenPAK Logic
O arquivo de design completo criado no software GreenPAK Designer (disponível gratuitamente) pode ser encontrado aqui.
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Figura 3:Esquema do projeto GreenPAK. (Fonte:BarqEE)
A Figura 3 mostra o esquema do projeto GreenPAK. Vsense é alimentado para diferentes comparadores usando o pino 6. Os comparadores analógicos ACMP0 e ACMP1 são usados para regulação na faixa normal de trabalho do AVR, enquanto ACMP2 e ACMP3 são usados para detecção de sobretensão e subtensão. Uma vez que a referência interna máxima dos comparadores não pode ser definida como superior a 1,2 V, um ganho de 0,33 é usado para garantir que a tensão de saída possa ser comparada e categorizada corretamente em diferentes faixas. As referências dos comparadores são definidas para atender às especificações descritas na seção 1.2. Um bloco de máquina de estado assíncrono (ASM) é empregado para configurar uma máquina de estado finito para regulação de tensão.
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Figura 4:Máquina de Estados Finitos. (Fonte:BarqEE)
A Figura 4 descreve os cinco estados usados. Em cada estado, os relés 1, 2 e 3 são acionados usando as saídas ASM OUT3, OUT2 e OUT1, respectivamente. Isso permite a seleção das derivações do autotransformador relevantes e, consequentemente, a relação de giro do autotransformador. Mover-se do estado 0 para 4 causa uma diminuição gradativa na relação de espiras do autotransformador. A Tabela 1 mostra a correspondência de cada estado para as relações de rotação.
Tabela 1:relações de giro AT correspondentes a cada estado (Fonte:BarqEE) Resultados experimentais clique para ver a imagem em tamanho real clique para ver a imagem em tamanho real clique para ver a imagem em tamanho real clique para ver a imagem em tamanho real clique para ver a imagem em tamanho real clique para ver a imagem em tamanho real clique para ver a imagem em tamanho real clique para ver a imagem em tamanho real Conclusões
Estado 0 1 2 3 4 Razão de giro AT 220/135 ≈ 1,63 196/135 ≈ 1,45 220/174 ≈ 1,26 196/174 ≈ 1,13 220/220 =1
A regulação da tensão é obtida usando a transição de estado que ocorre se Live_out for maior que o limite superior (≈ 240 VAC, definido por referência de ACMP1) ou menor que o limite inferior (≈ 200 VAC, definido por referência de ACMP0). Se algum estado não produzir o nível de tensão de saída regulado desejado (200 V
Para garantir que os relés eletromecânicos funcionem corretamente, as transições de estado abruptas são controladas usando atrasos no feedback do bloco ASM. Para este fim, as saídas do bloco ASM OUT3, OUT4, OUT5, OUT6 e OUT7 são alimentadas para os blocos de retardo DLY2, DLY3, DLY4, DLY5 e DLY6, respectivamente. A Figura 5 ilustra a configuração do bloco de RAM do ASM, onde é mostrado o estado de cada uma das saídas binárias OUT0 - OUT7.
Figura 5:Bloco de RAM. (Fonte:BarqEE)
Os estados são retidos por um período de tempo predefinido tp (≈ 0,5 s) definido nos atrasos. As transições de estado ocorrem apenas se Live_out permanecer fora do intervalo desejado por pelo menos tp. As saídas dos atrasos são realimentadas para diferentes LUTs (e blocos AND) junto com as saídas de ACMP0 e ACMP1, conforme mostrado na Figura 4. Isso garante que as transições de estado ocorram apenas quando tp decorrer e Live_out estiver fora da faixa desejada. A transição de estado particular depende das saídas de ACMP0 e ACMP1. Por exemplo, se o estado 1 for retido para tp, nenhuma transição será possível para o estado 0 e o estado 2. Se o nível de tensão desejado for alcançado, o estado 1 é mantido. Caso contrário, ocorre uma transição para o estado 0 e o estado 2, dependendo se Live_out é maior que o limite superior ou menor que o limite inferior.
Outra característica importante do projeto GreenPAK proposto é a proteção durante condições de sobretensão e subtensão. Os comparadores ACMP2 e ACMP3 são usados para condições de sobretensão e subtensão, respectivamente. A saída do ACMP2 e a saída invertida do ACMP3 são passadas para os blocos de atraso DLY0 e DLY1 para garantir que as condições de sobretensão e subtensão não sejam detectadas para quaisquer transientes. Posteriormente, as saídas de DLY0 e DLY1 são alimentadas a um bloco LUT que decide se é uma condição normal, de sobretensão ou subtensão. Em condições normais, RLY4 é mantido energizado e o AVR regula a tensão. Caso contrário, nenhuma regulação é possível e o RLY4 desarma. Indicações para as condições normais, de sobretensão e subtensão também são fornecidas para o usuário.
Hardware Experimental
Figura 6:Configuração experimental. (Fonte:BarqEE)
A Figura 6 mostra a configuração experimental do protótipo. Um Variac é usado para controlar a tensão CA de entrada fornecida ao AVR. O AVR contém um autotransformador e um PCB que contém os circuitos de controle. Uma placa de desenvolvimento GreenPAK é conectada ao PCB para controlar os relés eletromecânicos. Um osciloscópio é usado para registrar as tensões de entrada e saída.
Figura 7:Circuito PCB. (Fonte:BarqEE)
A Figura 7 mostra o circuito PCB onde os relés eletromecânicos, BJTs e outros componentes auxiliares são montados.
Dados de desempenho do AVR
Os dados de desempenho do AVR são resumidos a seguir:
Resultados do osciloscópio
As figuras a seguir mostram os registros do osciloscópio para a experimentação. Os marcadores amarelo e azul mostram as tensões de entrada e saída, respectivamente.
Figura 8:Resumo Experimental Quantitativo. (Fonte:BarqEE)
A Figura 8 representa o resumo quantitativo dos resultados experimentais para a funcionalidade normal do AVR. A tensão de entrada é varrida em uma faixa de tensão (baixa a alta) e a tensão de saída correspondente é observada. O IC aciona com sucesso os relés para alterar as derivações do autotransformador e, portanto, a relação de espiras de 1,63 para 1 para a regulação da tensão.
Figura 9:Funcionalidade normal. (Fonte:BarqEE)
A Figura 9 mostra a funcionalidade normal do AVR, onde a relação do tap para voltas de 1,63 é determinada e selecionada com sucesso.
Figura 10:Sobretensão de aproximação. (Fonte:BarqEE)
Figura 11:Condição de sobretensão. (Fonte:BarqEE)
A Figura 10 mostra as formas de onda das tensões de entrada e saída quando a condição de sobretensão está se aproximando. Ambos têm formas de onda semelhantes, já que a relação de torneiras para espiras é 1.
A Figura 11 mostra o caso da condição de sobretensão. Pode-se ver que a tensão de saída entrou em colapso porque o AVR desarmou com sucesso RL4 para proteção.
Figura 12:Aproximação da subtensão. (Fonte:BarqEE)
Figura 13:Condição de subtensão. (Fonte:BarqEE)
A Figura 12 descreve as formas de onda de tensão de entrada e saída quando a condição de subtensão está se aproximando. O AVR seleciona o tap para a relação de giro máxima (1,63) sob esta condição.
A Figura 13 mostra o caso da condição de subtensão. Pode-se observar que a tensão de saída cai quando RL4 é desarmado para proteção.
Observe que não há mudança de frequência ou mudança de fase das tensões de entrada e saída quando o AVR está regulando.
Neste artigo, descrevemos o uso de ASICs programáveis, como GreenPAK SLG46537V IC como um controlador para AVRs, que são populares em aplicações residenciais e industriais. O ASIC pode substituir componentes discretos e MCUs que são usados atualmente nesses aplicativos. O papel do SLG46537V no AVR proposto foi ilustrado e o design do GreenPAK foi explicado detalhadamente. Além disso, os detalhes dos experimentos em um AVR protótipo foram apresentados para validar o projeto proposto.
Concluímos que o circuito oferece amplos recursos para servir como controlador, principalmente em AVRs residenciais. Conseqüentemente, unidades de controle para AVRs podem ser projetadas usando o IC que são baratas e reduzem a pegada de PCB. Controladores mais sofisticados podem ser projetados usando outros ASICs oferecendo ASMs com mais estados.
Aamir Hussain Chughtai atualmente é candidato ao doutorado Engenharia Elétrica na LUMS, Lahore. Suas áreas de atuação estão relacionadas a Processamento de Sinais, Aprendizado de Máquina e IoT. Ele é cofundador da BarqEE, startup de TI com sede em Lahore. Aamir pode ser contatado em [email protected]. 
Muhammad Saqib recebeu o grau de M.S em Engenharia Elétrica do NUCES, Lahore. Suas principais áreas de trabalho incluem Eletrônica de Potência, Sistemas Embarcados e Instrumentação. Ele é cofundador da BarqEE, startup de TI com sede em Lahore. M. Saqib pode ser contatado em [email protected].
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