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Diseño de supervisor trifásico contra caída de fase. Parte 2

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Autora: Celis Cedeño / Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CIES). FIIIDT. 

 

Resumen: El diseño supervisa el estado de las fases para en función de eso mandar a conectar o desconectar una carga. En una primera parte de esta publicación se explicó la importancia de las protecciones eléctricas dentro de los sistemas de potencia, el concepto de falla y alguna de las causas más comunes, haciendo mención a la protección de supervisión trifásica, destacando contra que tipos de fallas protege. En esta segunda parte se estará desarrollando el diseño del circuito contra caída de fase,  detallando  cada etapa que lo constituye, de igual manera cómo interactúan cada una y como depende una de la otra esto debido a que será  un sistema en cascada, destacando un listado de componentes para su montaje. Las etapas que conforman al circuito completo son rectificación de líneas que incluye los procesos de reducción de voltaje, filtrado y regulado para garantizar no tener una señal fluctuante que pueda dañar algún componente que dependa de esa etapa, posteriormente viene la etapa de digitalización y control para llegar a la última fase que será de potencia.

Diseño

El supervisor trifásico que se diseñó en este circuito no está hecho a base de microcontroladores ni tampoco de arduino sino que está conceptualizado netamente con electrónica analógica y digital, lo cual permite que a la hora de dañarse algún componente pueda reemplazarse y así continuar protegiendo el equipo conectado. A continuación se estará mostrando un listado de componentes electrónicos necesarios para el diseño del circuito.

Listado de componentes

  • Transformador reductor de 120VAC a 12 VAC
  • Puente rectificador de diodos
  • Optocoplador con salida de triac PC817
  • Compuerta AND
  • Compuerta negadora
  • Diodo Zener
  • Capacitor 47 nF
  • Transistores 2N2222
  • Relé de 12VDC
  • Lámpara incandescente de 120VA

Más adelante se mostrará el circuito que se diseñó para el supervisor trifásico contra caída de fases, el cual se puede montar sino se dispone de algún método de circuito impreso en una baquelita perforada como la mostrada en figura 1.

Figura 1. Baquelita perforada. Por Jovision (2020)

Diseño de supervisor trifásico contra caída de fase: Para este diseño se trabajó por etapas las cuales son tres la primera es la de rectificación de las líneas, en donde se busca pasar de tensión monofásica a 12V AC.

Primeramente se pasa la línea monofásica por un transformador reductor el cual a la salida del segundario lleve la tensión a 12 VAC, de manera se procede a la de rectificación de onda completa por medio de 4 diodos, como se muestra en la figura 2

El nivel de tensión en Corriente Directa (CD) obtenido a partir de una entrada senoidal se puede mejorar 100% mediante un proceso llamado rectificación de onda completa. La red más conocida para realizar tal función aparece en la figura 2 con sus cuatro diodos en una configuración de puente. Durante el periodo t 0 para la polaridad de la entrada. Las polaridades resultantes a través de los diodos ideales para revelar que D2 y D3 están conduciendo, mientras que D1 y D4 están “apagados”. El resultado neto es la configuración con su corriente y polaridad indicada a través de R. (Boylestad, 2009).

Figura 2. Rectificación de onda completa. Por mantenimientoiia (2020)

Etapa de rectificación de las líneas: Se Toma cada una de las tres lines: líneas, línea 1, línea 2 y línea 3. Se hacen pasar por un transformador reductor que lleva de tensión monofásica AC a 12 VAC, en donde esa tensión es pasado por un puente rectificador el cual lleva la señal sinusoidal a tensión de rizo, para luego circular por un proceso de filtrado esto a través de un capacitor que limpia la señal, y por último se regula la tensión de corriente continua por medio de un diodo Zener el cual lleva la tensión de salida a 5VDC. En la figura 3 se muestra la rectificación de cada una de las líneas. La idea de llevar la tensión monofásica de 120V AC 9 VDC. En la figura 3 se muestra cada una de las etapas y como se trasforma la señal desde la etapa de reducción de voltaje hasta la regulación.

Figura 3. Transformación de paso de CA a CD.  Por Área tecnología (2020)

Como se ha mencionado se está trabajando con un sistema trifásico de líneas L1, L2 y L3 respectivamente las cuales para efectos del diseño se deben rectificar hasta convertirlas en tensión DC de 5V con el fin de poder trabajar electrónicamente con el fin de realizar la activación de las compuertas lógicas, las cuales se alimentan con esta tensión de 5VDC. En la figura 4 se muestra dicho proceso.

Figura 4. Etapa de rectificación. Por fuente propia

Etapa de digitalización de las señales y control

Para esta etapa se usarán 3 optocopladores que son dispositivos que funcionan como un interruptor aislado ópticamente. Estos se usan cuando se necesita colocar entradas de señales de alta tensión o vinculadas con la red eléctrica, se están empleando uno para cada línea, las mismas no pueden ser aplicadas directamente por lo que es necesario aislar eléctricamente el circuito. (Palacios, 2004).

Para este diseño se está usando el modelo PC817 con la función de aislar perturbaciones o ruidos provenientes de las líneas.  Las entradas de los optocopladores vienen de las líneas tres líneas rectificadas  (a, b y c) que muestra la figura 5 con salida de transistor esto con el fin de llevar la tensión a niveles TTL esto es:(0 a 5V) para después tener la tensión que se amerita para alimentar la compuertas lógica AND U4.

Ya teniendo la tensión a niveles TTL lo que se hace es utilizar una compuerta lógica AND la cual al verificar que al ninguna de las líneas estar caída manda a su salida un 1 lógico, el cual incida que la carga se mantendrá conectada porque las 3 líneas están funcionando como debieran, pero al caerse una de ella a la salida de la compuerta enviará un cero (0) lógico que mandará de inmediato la desconexión de la carga.

 A las entradas de la compuerta AND hay tres compuertas NOT las cuales lo que hacen es transformar el nivel lógico que proveniente de la salida del optocoplador de manera de llevarlo a uno (1) lógico, esto para activar un 1 a la salida de la AND que será garante de indicar que las tres líneas están operativas y que la carga puede encender.

Figura 5. Etapa de digitalización de las señales. Por fuente propia

Etapa potencia

Una vez realizadas todas las etapas previas queda solamente la última que es la de potencia, en este apartado se están usando dos componentes uno que es electrónico y otro que será electromecánico que será el relé aunque  también pudo haberse usado un optocoplador con salida de triac, sin embargo el relé permitirá un circuito mas sencillo.

El componente electrónico será un transistor usado como interruptor abierto cerrado por saturación (Maloney, 2006). El cual dependerá de la salida de la compuerta AND U4 (23) para saturar los transistores que permitirá la alimentación de la bobina de 3 relés de los cuales dependerá la energización de la carga. El objetivo fundamental de esta etapa es la separación de la parte de control con la parte de potencia ya que si nos fijamos la parte de control trabaja con tensiones DC pero los contactos del relé trabajando a tensión monofásica. En la figura 6 se muestra la etapa de potencia donde se nota que cada una de las líneas conectadas al contacto normalmente abierto del relé, lo que permitirá que en el momento que la compuerta AND mande el uno (1) lógico sature el transistor que energizará la bobina y esto hará que los contactos del relé cambien de estado lo que accionara la carga que para este caso es un motor trifásico. En la figura 6 se muestra la etapa de potencia.

Figura 6. Etapa de potencia. Por fuente propia

Habiendo ya explicado todas las etapas detalladamente lo que resta es mostrar como se ve el circuito completo que tiene incorporado cada una de las etapas antes descritas. En la figura 7 se muestra el circuito completo.

Figura 7. Etapa de control. Por fuente propia

 A la hora de ameritar un supervisor trifásico nadie piensa en diseñar uno, todos lo que primero haríamos sería comprarlo, sin embargo el objetivo de esta nota técnica es generar el conocimiento necesario respecto a como funciona este dispositivo y como se podría diseñar un circuito que permita el chequeo constante de lineas trifásicas.

En la primera parte se destacó la importancia de las protecciones eléctricas dentro de los sistemas de potencia ya que evitan que los equipos puedan sufrir daños irreparables al proporcionar la desconexion de la misma, así como los tipos de fallas más recurrentes.

 De la fabricación de estos equipos se podrá notar que muchos de los supervisores trifásicos comerciales están hechos a base de un microcontrolador. El problema con esto es que a la hora de dañarse el mismo, difícilmente podría reparse ya que no se tiene acceso a la programación interna. El hecho de ser información confidencial del fabricante, lo mas probable es que ya no se pueda usar más, requiere su sustitución por via de inversion en una compra. Lo anterior nos permite concluir en esta segunda parte donde se mostró un circuito de control a base de netamente electrónica anológica y digital que permita la accion de un mantenimiento con el reemplazo de algún componente si se dañará y así seguir funcionando la protección.

Referencias

 

Contacto: cbcm1992@gmail.com

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