ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO ELÉTRICO

DISEÑO DE UNA PLACA DE CONTROL

PARA UN ESTABILIZADOR REGULADOR

DE TENSIÓN DOMÉSTICO

Autor: San Felipe García, Alejandro

Director: Frías Marín, Pablo

Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas

Madrid

Mayo 2014

A. 1 - Autotransformador toroidal con cursor rotativo.

RESUMEN DEL PROYECTO

El proyecto presentado a continuación trata sobre el diseño de una placa

encargada de controlar el funcionamiento de un estabilizador regulador de

tensión doméstico.

Este documento constituye un resumen que pretende abarcar los aspectos más

importantes sobre el funcionamiento y la utilidad de este tipo de dispositivos.

Para ello se clasifica el documento en cuatro apartados: Introducción,

Metodología, Resultados y Conclusiones.

Introducción

El objetivo principal de un regulador de voltaje es corregir las variaciones de

tensión producidas por distintas causas, como puede ser la conexión o

desconexión de cargas en una red.

El ámbito en el que trabaja este tipo de dispositivos es en redes de baja

tensión, que mayoritariamente se encargan de satisfacer el consumo

demandado por el cliente. Las variaciones de carga a nivel consumidor son

numerosas y relativamente aleatorias: no existen unas horas determinadas

para encender el horno o apagar las luces. Estas continuas conexiones y

desconexiones generan constantes variaciones de tensiones que han de ser

tratadas, intentando en todo momento mantener unos niveles de voltaje

constantes. Esta es la razón por la que los estabilizadores reguladores de

tensión constituyen un elemento fundamental en un sistema eléctrico, siendo

una vía muy fiable de asegurar la calidad del suministro eléctrico a los clientes.

Existen diversos tipos de reguladores de tensión tales como los integrados,

conmutados, de corriente alterna por inducción, ferroresonantes o

electromecánicos. De entre todos ellos, el proyecto que se presenta se centra

en los estabilizadores reguladores electromecánicos.

Los estabilizadores reguladores de tensión

electromecánicos basan su funcionamiento

en las variaciones de tensión generadas por

un autotransformador toroidal sobre cuyas

espiras se dispone un cursor rotativo

accionado por un servomotor. En su

movimiento, el cursor va aumentando o

disminuyendo el número de espiras que

entran en juego en la transformación de la

tensión, consiguiendo a la salida una tensión

variable U(t), ver Fig. A1.

El borne asociado al cursor rotativo (AUX) se relaciona con los arrollamientos

de otro transformador cuyo secundario está conectado en serie con la línea. Es

por tanto este segundo transformador el verdadero encargado de la regulación

de tensión. A continuación se recoge un esquema eléctrico de la conexión de

estos transformadores, ver Fig. A.2.

A. 2 - Conexión autotransformador variable con transformador de regulación.

Mediante el sistema mencionado se consigue una regulación que depende del

transformador de potencia que se emplee en la regulación. En el análisis

realizado en este proyecto se emplea un transformador cuyo secundario

genera tensiones de hasta 30V. Como la tensión generada en bornes del

transformador de potencia depende de la posición del cursor (Vc(t) puede ser

positiva o negativa), la regulación conseguida en línea sería de 220V ± 30V.

El objeto de este proyecto fue la creación de una placa de control que

comandara el movimiento del servomotor encargado de cambiar la relación de

transformación en el autotransformador variable, de tal manera que a la salida

se consigan los valores tensionales deseados. Para ello es necesario conocer

tanto los valores instantáneos de voltaje en la línea como la referencia a seguir

para garantizar la calidad en el servicio de distribución eléctrica.

La normativa vigente en el ámbito de la tensión que ha de existir en las redes

de distribución de baja tensión es la Norma UNE-EN 50160, en conjunción con

la Norma CEI 61000-4-30 encargada de regular todo lo referente a la medida

de los parámetros eléctricos en un cierto dispositivo eléctrico. El proyecto

recoge el extracto íntegro de estas normas, de donde se extrae que la variación

de tensión aceptada en cierto punto de un sistema de distribución eléctrica no

puede superar el ±10% de su tensión nominal. Ello generalmente se traduce en

variaciones de tensiones máximas de ±22V.

Metodología

El objeto de este proyecto es el control del estabilizador regulador de tensión.

Esta función se desempeña mediante la actuación conjunta de tres módulos:

módulo de medida, módulo de control y módulo de actuación. Ver Fig. A.3.

A. 3 - Esquema de conexión de los tres módulos: medida, control y actuación.

En primer lugar, el módulo de medida se encarga de analizar los valores de

tensión y corriente en la línea eléctrica. Las medidas realizadas son enviadas al

módulo de control, el cual se encarga de comparar las medidas con unos

valores de referencia prefijados. Una vez analizados los datos, el módulo de

control genera una respuesta que es transmitida al módulo de actuación. Este

módulo se encarga de hacer rotar el cursor sobre las espiras del

autotransformador generando una tensión mayor o menor en función de lo que

se necesite.

Módulo de medida

El módulo de medida es el encargado de analizar los parámetros eléctricos a

tiempo real. Se divide en dos partes: medida de tensión y medida de corriente.

La medida se realiza mediante los pines de una placa Arduino, por lo que es

necesario reducir los valores de tensión y corriente hasta niveles soportables

por la placa. Para ello se diseñan circuitos electrónicos específicos para las

medidas de corriente y tensión. La placa Arduino tiene la limitación de que

únicamente es capaz de trabajar con tensiones positivas e inferiores a 5V.

Las tensiones que se manejan son del orden de los 220V, por lo que se reduce

mediante un transformador de tensión de 230V de primario y 9V en el

secundario. Para evitar que la placa ignore la parte negativa de la señal

senoidal de tensión se añade un offset empleando los 5V que puede generar la

placa. Por último se realiza una reducción más para mantener la señal senoidal

dentro de los márgenes de la placa (0-5V). El circuito eléctrico resultante es el

que se muestra en la siguiente figura, así como un gráfico que recoge las

distintas modificaciones realizadas sobre la señal.

A. 4 - Esquema eléctrico de la medida de tensión.

La medida de corriente se realiza utilizando los mismos criterios que en la

medida de tensión, con la condición añadida de que es necesario transformar

la señal de corriente a una señal de tipo tensión para que la placa pueda

analizarla. Para ello se analiza la tensión que cae en una resistencia sobre la

que se hace pasar la corriente a medir. Conociendo el valor de dicha

resistencia basta con aplicar la Ley de Ohm (U=I·R) para identificar tensiones

con corrientes. El esquema eléctrico y las curvas de tensión son las siguientes.

A. 5 - Esquema eléctrico de la medida de corriente.

Módulo de control

El módulo de control está comandado por una placa Arduino Mega 2560. Es el

encargado de analizar las medidas extraídas del módulo de medida y

compararlo con unos valores prefijados en la placa. Para redes de baja tensión,

se mide la tensión y se compara con la tensión nominal de la línea de 220V. Si

el voltaje medido es superior al nominal, el módulo de control genera una

respuesta que alimenta el servomotor en el sentido que conlleva una

disminución de la tensión, y viceversa.

Sobre la placa Arduino se acopla una placa de relés cuya actuación se puede

programar fácilmente en el propio Arduino. De esta manera, las medidas de

tensión y corriente constituyen dos inputs; mientras que la tierra (GND), tensión

de +5V, y los relés se configuran como outputs. Ver Fig. A.6.

A. 6 - Esquema eléctrico del módulo de control.

Se desarrolla un código que se implementa sobre la placa, de tal manera que

sea totalmente independiente y actúe de manera automática.

Módulo de actuación

Las decisiones tomadas por el módulo de control son enviadas al módulo de

actuación por medio de la placa de relés, cuyos contactos se conectan en serie

con los circuitos de alimentación que generan giros en el servomotor de

sentidos inversos. Se añaden también fines de alcance para limitar el giro hasta

el número máximo y mínimo de espiras del autotransformador. Ver Fig. A.7.

A. 7 - Esquema eléctrico del módulo de actuación.

Resultados

Una vez fabricado el regulador de tensión electromecánico e implementado el código

programado en la placa Arduino se procede a experimentar con variaciones de

tensión. Los resultados extraídos tras los ensayos son muy positivos.

Se realiza una primera prueba en la que se reduce la tensión en un 5% del valor

nominal. Es decir, se cambia bruscamente el voltaje de 220V a 210V. El módulo de

control computa las medidas durante el período de muestreo prefijado y al comprobar

que se trata de una fluctuación de tensión fija, envía señal de actuación y comienza a

elevar la tensión hasta restablecerla por completo, momento en el que el servomotor

se detiene. A continuación se procede a realizar el ensayo contrario, es decir, se eleva

la tensión en un 5%, llegando a un voltaje de 230V. El regulador de tensión actúa de

manera satisfactoria. Ver Fig. A.8.

A. 8 - Actuación del regulador tras fluctuaciones de tensión.

Conclusiones

El proyecto presentado se centra en los estabilizadores reguladores de tensión, de los

cuales se sabe que constituyen un elemento fundamental en un sistema eléctrico. La

inclusión de estos dispositivos en una red de distribución permite mejorar y asegurar

los niveles mínimos de calidad en el suministro eléctrico impuestos por la normativa

vigente.

De entre sus características fundamentales, cabe destacar aspectos determinantes

como son su robustez y su fiabilidad. Ello convierte a los reguladores de tensión

electromecánicos en los dispositivos ideales para aquellas zonas con menor acceso y,

consecuentemente, mayor dificultad en las tareas de instalación y mantenimiento. El

bajo coste de todos sus materiales le concede un valor positivo desde el punto de vista

económico, permitiendo su instalación en numerosos puntos de la red de distribución

sin suponer un desembolso considerable.

El diseño de la placa presentado en este proyecto permite, además de analizar la

tensión existente en la línea, tomar medidas de la corriente y de los desfases

existentes en ambas señales. Futuros desarrollos de los reguladores de tensión

electromecánicos pueden permitir la monitorización de todos los parámetros eléctricos

existentes en una línea a tiempo real, mejorando de esta manera el conocimiento del

estado de la línea y la previsión del comportamiento del flujo eléctrico en cada

instante.

ABSTRACT

The project that is presented hereunder concerns about the design of an

electronic badge whose main objective is to oversee the operations to be made

by a domestic voltage regulator stabilizer.

This document contains a summary of the project that pretends to cover the key

aspects about the functionality and utility of this type of devices. To do so, it is

divided in four main paragraphs: Introduction, Methodology, Results and

Conclusions.

Introduction

The main objective of a voltage regulator is to correct the voltage fluctuations

that are caused by many different reasons, as for instance the connection and

disconnection of power charges in an electric distribution system.

These devices are made to be working in low voltage networks. This type of

networks generally refers to the supply of electric energy to industries or

domestic clients. The power charge fluctuations that take place at a consumer

level are numerous and rather random. Due to these continuous power charge

changes the voltage needs to be treated in order to recover the rated value of

voltage. That is the reason why voltage regulator stabilizers constitute an

essential part within an electric distribution system, being so one of the most

reliable sources to ensure the quality of the electric power supply to the clients.

There are many different types of voltage regulators such as integrated,

commuted, alternating current induction, Ferro-resonant, or electromechanical.

Among all these kinds of voltage regulators, this project centers its attention in

the electromechanical voltage regulator stabilizers.

Electromechanical voltage regulator stabilizers

base their operation on the voltage changes

generated by a toroidal autotransformer. A

rotary cursor stays in contact with the windings

of the autotransformer as it spins one way or

another, in order to introduce more windings in

the voltage transformation. The rotary cursor is

mechanically enslaved to an alternating

current servomotor whose rated speed is of

450rpm. The movement of the rotary cursor

around the windings of the autotransformer

generates the variable voltage (U(t)) required to

achieve the reference value of voltage. Fig. A.1.

A. 1 - Toroidal autotransformer with rotary cursor.

The transformer terminal being associated with the rotary cursor (AUX) is

connected to other transformer windings whose secondary windings are

connected in series with the electric line. This second transformer is the one

that is really in charge of the voltage regulation. In the following figure there is

an electrical diagram that shows the connection between these two

transformers. Fig. A.2.

A. 2 - Variable autotransformer and regulation transformer connections.

Thanks to the mentioned system, the voltage regulation depends on the power

transformer selected for the fabrication of the device. In the analysis that took

held during the completion of this project, a transformer whose secondary

winding generated a maximum of 30V was chosen. Therefore, the maximum

range of regulation to be made with this system is ± 30V.

The main purpose of this project is the design of an electronic badge that would

be in charge of the movement of the servomotor in order to change the

transformation rate in the variable autotransformer to obtain the desired voltage

values in the output. It is necessary to have complete knowledge of the voltage

every instance as well as the reference values to follow in order to ensure a

minimum quality in the supply of electric energy.

The current regulation in the environment of the voltage levels

required in the low voltage distribution networks in Spain is the

UNE-EN 50160 standard. It is also necessary to bear in mind

another standard in terms of the way that the voltage, the current

and other electric parameters are measured; which is the CEI

61000-4-30 standard. The project includes the integrated papers of

the standards mentioned recently.

Methodology

The objective of this project is the design of a badge that will command the

operations of a voltage regulator stabilizer. This function is being held by three

modules: measurement, control and actuation. Fig. A.3.

A. 3 - Three modules connection diagram: measurement, control and actuation.

In the first place, the measurement module is in charge of the analysis of the

current and voltage values in an electrical line. These measurements are sent

to the control module, which will then compare them with some reference

values that had been prefixed earlier in the badge. Once the measurements

have been analyzed and compared, the control module takes the provided

decisions which are then transmitted to the actuation module. This last module

is responsible for the movement of the rotary cursor over the windings of the

autotransformer in the direction which provides the required regulation (elevate

or lower the output voltage).

Measurement module

The measurement module is responsible for the analysis of the electrical

parameters of the line in real time. It is divided in two main circuits: voltage

measurement and current measurement. The measurements are sent to an

Arduino badge, which requires a reduction of the voltage and current signals

until they are below a maximum value of 5V. The Arduino badge is also limited

to positive signals and to the fact that these must be voltage type signals.

The low voltage distribution network has a rated voltage of 220V. A first

reduction of the voltage is made by the connection of a voltage transformer with

a rated primary voltage of 230V and 9V in the secondary. In order to prevent the

Arduino badge of ignoring the negative part of the senoidal signal of voltage, an

offset is added through a voltage divided circuit connected to the 5V supplied by

the Arduino badge. Finally, one last reduction is made to the voltage

measurement to maintain the signal in between the accepted range [0,5V]. The

electrical diagram that results from the previous calculations is drawn in the next

figure, which also includes a graph that shows the modifications made to the

voltage signal. Fig. A.4.

A. 4 – Voltage measurement electrical diagram.

The current process of measurement is made based on the same criteria used

in the voltage measurement, adding the restriction of the current signal nature.

To change the measurement to a voltage type signal, Ohm’s Law is calculated

through a known value resistance (U=I·R). The electrical diagram and the signal

graphs are represented in the following figure. Fig. A.5.

A. 5 - Current measurement electrical diagram.

Control Module

The control module is commanded by an Arduino Mega 2560 badge. Its main

objective is to analyze the measurements that had been made by the

measurement module and compare them with some prefixed values. In the

case of low voltage distribution networks, the voltage is measured and

compared to the rated line voltage, which is 220V. If the measured voltage is

higher than the rated value, the control module generates a signal which

activates the rotation of the servomotor in the direction that implies a reduction

of the voltage. Same idea is applied to the opposite case.

A relay shield is coupled over the Arduino badge. This shield can be easily

programmed thanks to the Arduino computer interface. The voltage and current

measurements are transmitted to the Arduino badge as inputs. On the other

hand, the +5V pin, the GND pin and the relays are configured as outputs. Fig.

A.6.

A. 6 - Control module electrical diagram.

A code is designed and implemented in the Arduino badge. Once this is done,

the badge is totally independent and it will actuate automatically whenever is

needed.

Actuation Module

The decisions made by the control module are then sent to the actuation

module through the relay shield. The relay contacts are connected in series with

the supply circuits of the servomotor. In addition to these, two relays are added

to interrupt the power supply to the servomotor once the first/final windings are

reached. Fig. A.7.

A. 7 - Actuation module electrical diagram.

Results

Once the electromechanical voltage regulator stabilizer is built and the

programmed code is implemented in the microprocessor of the Arduino badge,

experimental tests are made over the device. The results extracted from the

different voltage fluctuation tests were positive.

A first test is made consisting on a reduction of the voltage in 5% of its rated

value. The voltage suffers a sudden modification from 220V to 210V. The

control module analyses de voltage measurements during the sampling period

that had been prefixed in the Arduino badge. If a certain prefixed time is

surpassed it is then considered as a voltage fluctuation and an actuation signal

is generated. The servomotor starts to rotate until the rated voltage of 220V is

reached.

The opposite test is made afterwards, increasing the voltage to a value of 230V.

The voltage regulator stabilizer actuates correctly. The following figure shows

the voltage level during these tests. Fig. A.8.

A. 8 - Regulator actuation during voltage fluctuations of 5%.

Conclusions

The voltage regulators stabilizers are a fundamental element within an electrical

system. The installation of these devices in a distribution networks allows for the

improvement and assurance of at least the minimum quality levels required by

the current standards.

Its most important characteristics are the robustness and the reliability. This fact

makes them suitable for tranches with limited access, where the installation and

maintenance gets harder. The low cost of the materials with which the voltage

regulator are made grant its overall low cost.

The design of the Arduino badge created in this project allows the measurement

of other electrical parameters apart from the voltage. Future developments can

be made in terms of power calculation and centralization of the data, in order to

improve the knowledge of the state of the electrical network.