¿Cuándo debo disparar la puerta del TRIAC al controlar una carga inductiva (motor de CA)?

Question

Estoy usando una combinación de opto-triac + TRIAC para controlar un motor de 230V AC con un microcontrolador. Para detectar el paso por cero de la tensión estoy usando otro optoacoplador.

Sé que el motor de CA es una carga inductiva, por lo que el paso por cero de la tensión se produce antes del paso por cero de la corriente. Mi circuito detecta el paso por cero de la tensión, pero el TRIAC se apaga cuando la corriente es cero. ¿Cuándo debo disparar la puerta del TRIAC para obtener una velocidad arbitraria del motor (digamos la mitad de la velocidad normal)? ¿Cómo puedo saber cuándo se apaga el TRIAC?

Answer 1

Necesitas saber cuándo son los cruces de cero de la línea de CA. A diferencia de lo que dicen otros, usted está buscando el tensión cruces de cero al encender el triac. Esto debería ser obvio si se tiene en cuenta que el triac aún no está encendido y, por lo tanto, la corriente es cero.

Parece que intentas medir los cruces por cero de la tensión con el circuito inferior, pero puede que tengas que hacer algunos experimentos para que funcione bien. Estás contando con que la tensión sea lo suficientemente baja como para que no se enciendan los LEDs en cada cruce por cero, lo que hace que se apague el transistor en cada cruce por cero. Por lo tanto, esperas obtener un pequeño fallo positivo en cada paso por cero. Conseguir que los LEDs estén apagados el tiempo suficiente para que el transistor se apague lo suficiente para que el pullup funcione, y que todo esto ocurra con poco retardo de fase va a ser complicado.

En un caso que tuve que hacer, utilicé dos optos en configuración push-pull. Los LEDs estaban conectados uno detrás del otro, por lo que cada uno se encendía durante la mitad de cada ciclo de línea. Las salidas estaban conectadas de manera que una tiraba de alta y la otra de baja. La salida resultante era una bonita y limpia onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50% y los bordes muy cercanos a los cruces de cero.

En cualquier caso, una vez que se tiene una señal por cruce de cero, simplemente se añade un retardo variable antes de encender el triac. El retardo puede ser de cero a casi medio ciclo de línea. Cuanto más largo sea el retardo, más baja será la tensión media global del motor. Si la frecuencia de la línea es de 50 Hz, entonces un ciclo completo es de 20 ms, y un medio ciclo es de 10 ms, por lo que el período de retardo variable probablemente debería limitarse a 0-9 ms más o menos.

Tendrás que experimentar para determinar la tensión media que verá el motor en función del retardo. Podrías calcularlo si se conociera la carga. Tu carga tiene un componente inductivo impredecible, por lo que el triac se apagará un poco después del siguiente cruce del cero de tensión. Este retardo variará en función de tu retardo de encendido y en función de lo que haga el motor. Si tu retardo de encendido es pequeño, entonces el inductor obtiene la mayor parte del ciclo de media línea para cargar, por lo que tardará en descargarse. Si tu retardo fue largo, entonces el inductor sólo se cargó por un corto tiempo a bajo voltaje, y por lo tanto tomará sólo un corto tiempo para descargarse y alcanzar el nivel de corriente cero donde el triac se apagará.

Para tensiones aparentes bajas del motor (largos retrasos de encendido), el retraso de apagado no importa ya que el triac se apaga antes de que intentes encenderlo de nuevo cerca del final del siguiente medio ciclo. A medida que usted aumenta el accionamiento del motor, y por lo tanto disminuye su retardo de encendido, eventualmente la corriente cero del inductor ocurre después de su señal de encendido para el siguiente medio ciclo. El triac estará ahora encendido todo el tiempo, lo que significa que el motor ve la tensión de línea completa. Un retardo de encendido más corto no aumentará el accionamiento del motor. Sin embargo, usted todavía tiene un rango casi completo de control sobre el motor, sólo que no se distribuye uniformemente en todo el ciclo de la línea. Un pequeño retraso en el encendido es lo mismo que un encendido continuo.

Tenga en cuenta que esto supone que el triac es impulsado continuamente desde su retardo de encendido hasta cerca del final del medio ciclo de la línea. Esto garantiza que el triac esté encendido durante la fase de encendido de cada medio ciclo de línea, independientemente de lo que haga la corriente. Si no haces esto y en su lugar conduces el triac con un corto parpadeo después del retardo de encendido, entonces sucederán dos cosas malas. En primer lugar, cuando el motor esté completamente encendido y el cruce de cero de la corriente del medio ciclo anterior ocurra después del encendido del siguiente, el triac se apagará en ese cruce de cero. En segundo lugar, el triac puede apagarse cuando se producen breves fallos en la corriente, como puede ocurrir con los motores de conmutación mecánica.

Answer 2

¿Cómo puedo saber cuándo se apaga el TRIAC?

Cuando el triac está encendido, la tensión a través del triac está sujeta a una tensión cercana a cero. (La hoja de datos de su triac podría decir algo así como que el peor caso V_A1_A2_on es +- 1,5 V).

Muchos circuitos detectan cuando la tensión (positiva o negativa) a través del triac es superior a unos +10 V o inferior a unos -10 V, para indicar que el triac está definitivamente apagado. Véase la figura 4 de AN307.

¿Ha considerado la posibilidad de detectar la tensión a través del triac, como hacen todos los relés de estado sólido de paso por cero, en lugar de detectar la tensión de línea, que no hace ningún relé de estado sólido?

¿Cuándo debo disparar la puerta del TRIAC para obtener una velocidad arbitraria del motor (digamos la mitad de la velocidad normal)?

Para algunas cargas, la velocidad es aproximadamente proporcional al tiempo de conexión del triac. Para estas cargas, encienda el triac la mitad del tiempo (apague el triac la mitad del tiempo) para obtener una velocidad cercana a la mitad de la velocidad máxima.

La carga suele aumentar con el cuadrado de la velocidad (por ejemplo, al empujar un vehículo por el aire). Para estas cargas, encienda el triac 1/4 del tiempo (apague el triac 3/4 del tiempo) para obtener una velocidad cercana a la mitad de la velocidad máxima.

Casi siempre hay un mínimo de tiempo de encendido (máximo de tiempo de apagado) para que las cosas se muevan; cualquier cosa menos que eso y algo de energía eléctrica entra, pero nada se mueve.

Como menciona Olin Lathrop, a menudo es adecuado medir experimentalmente la velocidad de salida frente al tiempo de conexión del triac unas cuantas veces (quizás para 1/5, 2/5, 3/5, 4/5, del tiempo de conexión completo o del tiempo de desconexión completo), averiguar qué ajuste da cerca de la mitad de la velocidad, y esperar que se mantenga aproximadamente igual cuando se ejecute en bucle abierto.

Si es importante mantener con precisión alguna velocidad en particular, es posible que desee funcionar en bucle cerrado, es decir, añadir algún tipo de tacómetro para medir la velocidad real en todo momento, y cerrar el bucle añadiendo algo que aumente automáticamente el tiempo de conexión (disminuya el tiempo de desconexión) cuando la velocidad medida sea demasiado baja, etc.

¿Cuándo debo disparar la puerta del TRIAC al controlar una carga inductiva?

Por favor, considere hacer las cosas de la manera recomendada por las hojas de datos y notas de aplicación proporcionadas por el fabricante, en este caso Nota de aplicación ST AN307: "Uso de triacs en cargas inductivas" .

Tal vez el enfoque más sencillo sea

• observa la tensión en el triac (entre los pines A1 y A2). Cuando esa tensión supera los +10 V o está por debajo de los -10 V, el triac está definitivamente apagado.
• Una vez que percibimos que el triac está definitivamente apagado, retrasamos un tiempo desde 0 (velocidad máxima) hasta casi 10 ms (casi sin movimiento), y luego tiramos de la compuerta LOW.
• Mantenga la puerta baja durante algún tiempo, hasta que el triac parezca encenderse (hasta que la tensión a través del triac sea pequeña). A continuación, tire de la puerta en ALTO (ajuste la tensión de la puerta igual que la tensión del pin A1 del triac).
• Repite.

Answer 3

Hay que detectar el paso por cero de la corriente en lugar del paso por cero de la tensión.

La forma más sencilla de hacerlo es poner una resistencia en serie con la carga de CA y medir la caída de tensión a través de esa resistencia. De este modo, se obtiene una medida directa de la corriente que fluye. A menudo tendrá que amplificar esta tensión, ya que debe utilizar la resistencia de derivación más pequeña posible.

A partir de ahí utiliza este voltaje para alimentar un comparador o dispositivo similar para disparar la interrupción de cruce de cero en tu uC.

Obtendrá múltiples disparos del comparador a medida que el cruce de corriente se acerque y pase por cero, por lo que normalmente necesitará incluir algún tipo de funcionalidad de ventana para manejar esto.

Answer 4

Sugiero utilizar una de las tres opciones. Dos (a y b) implican el conocimiento de la tensión ZC solamente. La otra (c) implica el conocimiento tanto de la tensión como de la CARGA INDIVIDUAL corriente [una vez que el motor ha alcanzado la "dirección" y conduce CA detectable] ZCs.

Para cada opción: Utilice un accionamiento PWM de alta frecuencia para la compuerta del triac en una polaridad "dulce" (lo mejor es que no sea el cuadrante III; lo más deseable es el accionamiento de la compuerta en cofase o en negativo). Además, las compuertas de tiristores no requieren necesariamente un accionamiento continuo, sólo un recordatorio frecuente para conducir hasta que se pongan en marcha (es decir, que fluya la corriente) durante una media onda.

Cada opción supone que se ha calculado más o menos la misma tensión ZC para la velocidad (teniendo en cuenta que el control de fase de los motores de inducción es muy ineficiente y que no se puede reducir mucho la velocidad con un par de carga razonable y que el calado y el sobrecalentamiento del motor son habituales en las mejores circunstancias).

La experimentación es, por supuesto, el mejor determinante, pero algo como 43,2kHz (edición: error de factor 2)-> Un pwm de 21,6kHz al 25% de servicio daría un pulso de un cuarto de grado de longitud por cada grado de fase de 60Hz y esto puede ser un ahorro de energía y a la vez un controlador de motor muy autorizado. A continuación, la terminología de "tensión ZC" podría ser sustituida por su ángulo de fase conocido cada media onda para una reducción de velocidad dada.

Opción (a) Accionamiento de la puerta pwm activo desde la tensión ZC hasta justo después de un ángulo de fase ZC calculado (o sobreestimado o determinado experimentalmente) de la corriente.

Opción (b) gate drive pwm activo desde la tensión ZC hasta casi la siguiente tensión ZC - no te arriesgues.

Opción (c) el pwm de accionamiento de puerta está activo desde la tensión ZC hasta justo después de la corriente ZC observada.

Personalmente he utilizado la opción (a) con mucho éxito a toda velocidad. He hecho muy poco con la velocidad reducida a través del control de fase. La única razón para no utilizar simplemente la opción (b) es

Cuando quiero una velocidad reducida, intento utilizar un motor de CC (barato) o un VFD (par).

Por el contrario, en un proyecto actual de adaptación voy a intentar controlar la velocidad utilizando la opción (a) anterior e informaré de los resultados que obtenga.