Análisis de la Aplicación de la Tecnología de Control PLC en Reguladores de Voltaje Eléctrico Inteligentes

Cuando se evalúa la calidad del suministro eléctrico, el voltaje es un factor crítico de influencia. La calidad del voltaje generalmente se evalúa midiendo la desviación de voltaje, la fluctuación, la distorsión de onda y la simetría trifásica, siendo la desviación de voltaje el indicador más importante. Para garantizar una alta calidad de voltaje, generalmente se requiere un ajuste de voltaje. Actualmente, el método más ampliamente utilizado y efectivo para el ajuste de voltaje implica la modificación del selector de tomas en los transformadores de potencia.

Este documento integra principalmente tecnologías PLC y de microordenador para diseñar y analizar un regulador de voltaje inteligente, logrando finalmente un ajuste rápido del voltaje mientras evita sobretensiones transitorias durante el proceso de ajuste.

1. Principio de funcionamiento y características clave del regulador de voltaje inteligente

1.1 Principio de funcionamiento principal

El regulador de voltaje inteligente consta de una unidad principal y unidades auxiliares. La unidad principal incluye capacitores primarios y secundarios junto con un transformador de regulación, permitiendo tanto la compensación de potencia reactiva como la regulación automática del voltaje.

Las unidades auxiliares incluyen una unidad de control inteligente y tres unidades de ajuste de ejecución. La unidad de control inteligente genera y transmite comandos de control, que son recibidos de forma inalámbrica por las unidades de ejecución para permitir la regulación del voltaje en tiempo real en la línea de distribución.

Como componente central, la unidad de control inteligente determina el nivel de automatización, inteligencia y precisión de regulación del dispositivo. Monitorea con precisión el voltaje de alimentación, genera comandos adecuados y los envía al módulo de control del selector de tomas para mantener el voltaje de alimentación en el punto de ajuste objetivo. Sus principales funciones incluyen:

• Monitoreo y control en tiempo real del voltaje de alimentación—corrigiendo rápidamente cualquier desviación;

• Monitoreo y control en tiempo real de la corriente de carga de salida;

• Proporcionar funciones de protección contra condiciones de subvoltaje, sobrecorriente y sobrecalentamiento.

1.2 Características clave

El regulador de voltaje inteligente ofrece las siguientes ventajas:

• Doble funcionalidad: Proporciona simultáneamente compensación de potencia reactiva y regulación de voltaje. Durante el ajuste de voltaje, también compensa parcialmente la potencia reactiva de la red, mejorando el factor de potencia, previniendo daños en las líneas, aumentando la capacidad de carga de la red y asegurando la calidad del voltaje. Además, puede monitorear el voltaje y la corriente trifásicos.

• Estructura optimizada y ecológica: El diseño emplea aislamiento escalonado para aumentar la resistencia dieléctrica. La transmisión de datos entre las unidades de control y ejecución utiliza aislamiento de voltaje, permitiendo la transferencia de señales sin aceite. Todos los sensores de voltaje y corriente están integrados internamente, eliminando la necesidad de transformadores de potencial o corriente externos—mejorando la confiabilidad, estabilidad y facilidad de instalación.

• Regulación de voltaje inteligente: Mide automáticamente las posiciones de toma según los umbrales definidos por el usuario y corrige configuraciones inexactas para asegurar una operación estable de la red.
  Operación del selector de tomas sin mantenimiento: Al conectar el transformador de regulación en serie con los capacitores de compensación reactiva, las corrientes de cortocircuito durante el ajuste de voltaje permanecen bajas, minimizando el impacto operativo.

• Protección inteligente: Monitorea continuamente la carga de la línea y la temperatura del transformador; sale automáticamente del modo de regulación al detectar anomalías y vuelve a la operación una vez que las condiciones se normalizan.

• Registro de datos en tiempo real: La unidad de control registra con precisión el voltaje, la corriente y el número de cambios de toma antes y después de cada evento de regulación.

• Comunicación inalámbrica eficiente: Los datos en el sitio pueden leerse directamente, y los parámetros de regulación (por ejemplo, intervalos de tiempo, umbrales de voltaje) pueden ajustarse de forma remota—simplificando la operación.

• Dada su alta relación costo-beneficio, confiabilidad y seguridad, el regulador de voltaje inteligente es adecuado para una amplia implementación en redes eléctricas rurales, reduciendo significativamente los problemas de desviación de voltaje.

2. Aplicación de la tecnología de control PLC en el diseño de hardware del regulador de voltaje inteligente

Basándose en los requisitos funcionales y especificaciones técnicas del regulador de voltaje inteligente, su arquitectura de hardware se ilustra en la Figura 1.

2.1 Configuración del sistema básico de microcontrolador

El sistema básico de microcontrolador adopta principalmente una computadora personal industrial (IPC), utilizando una tarjeta de CPU llamada All2In2One con 256MB de memoria, que cuenta con dos interfaces serie y una paralela. Además, utiliza un chip de aceleración gráfica compatible con PCI2S3, con el tamaño de la tarjeta gráfica que varía de 1 a 2MB. Para mejorar la confiabilidad del sistema, se emplean componentes de bajo consumo para reducir el consumo de corriente.

2.2 Configuración de los canales de entrada

Durante la configuración de los canales de entrada, las señales de entrada se identifican como señales secundarias de los transformadores de voltaje y corriente. Estas señales se condicionan antes de ser convertidas a través de un ADC para la entrada en el MCU. El circuito de condicionamiento de señal consiste principalmente en transformadores de corriente y voltaje junto con un amplificador operacional de tres etapas. Los transformadores de corriente y voltaje convierten eficazmente voltajes y corrientes altas en otras menores con alta precisión y buena linealidad. El amplificador operacional de tres etapas amplifica estas señales convertidas y rectificadas.

2.3 Configuración de la Unidad de Control PLC

Para este regulador de voltaje inteligente, se ha seleccionado un PLC de la serie FP1 de Panasonic, que ofrece una capacidad de programa de hasta 5000 pasos, comandos de operación sencillos y funcionalidad completa. También utiliza cables de par trenzado RS485, logrando una tasa de transmisión de 100bps y permitiendo la interconexión de hasta 32 PLCs en un rango de 1200 metros. Este modelo de PLC cuenta con excelentes capacidades de monitoreo, capaz de realizar un seguimiento en tiempo real de los diagramas de escalera y el temporizador dinámico para garantizar un ajuste suave del voltaje.

2.4 Configuración de los Canales de Salida

Los canales de salida adoptan métodos de salida lógica. Para lograr un ajuste estable del voltaje mediante un cambio mínimo de voltaje y corriente de cruce, se requiere un disparo en cero cruzado, junto con la configuración de interruptores electrónicos sin contacto.

3. Aplicación de la Tecnología de Control PLC en el Diseño de Software del Regulador de Voltaje Inteligente

3.1 Proceso Operativo Específico del Programa

Después de encender y poner en marcha el regulador de voltaje inteligente, se deben realizar procedimientos de inicialización y autocontrol. Una vez que el autocontrol es exitoso, determina si el dispositivo está en modo de operación o en modo de configuración. En el modo de configuración, se pueden establecer parámetros utilizando un teclado al ingresar al menú de configuración, seleccionar ajustes específicos y ajustar valores con las teclas de subir/bajar. En el modo de operación, se realiza muestreo y filtrado digital, seguido de la selección de métodos de ajuste de voltaje apropiados:

• Regulación Automática: Ejecuta programas correspondientes para determinar si el voltaje está dentro del rango especificado. Si es así, no se necesita ningún ajuste; de lo contrario, se realizan ajustes para llevar el voltaje de vuelta a los límites.

• Regulación Manual: Las operaciones manuales a través de los botones del panel ajustan los niveles de voltaje. Después de completar los ajustes de voltaje, los programas de visualización muestran los valores de voltaje y corriente secundarios del transformador, así como las acciones diarias del regulador, asegurando la operación continua.

3.2 Algoritmo Específico para el Control del Programa

Para satisfacer los requisitos de los usuarios en cuanto a la desviación de voltaje, es esencial la aplicación efectiva de algoritmos de control. Esto implica calcular valores independientes de los puntos de muestreo a partir de conjuntos de datos discretos a través de operaciones matemáticas, compararlos con las especificaciones de diseño y realizar operaciones lógicas para ajustes de los cambiadores de tomas. Las fórmulas de cálculo para medir la corriente, el voltaje y la potencia activa son las siguientes:

(Nota: Las fórmulas específicas para la medición de corriente, voltaje y potencia activa no se proporcionaron en tu texto, pero generalmente implican cálculos estándar de ingeniería eléctrica como la ley de Ohm, cálculos de factor de potencia, etc.)

Estas descripciones proporcionan una explicación detallada de cómo funciona el regulador de voltaje inteligente, su configuración de hardware y los procesos de software involucrados en mantener un ajuste óptimo del voltaje.

En las fórmulas, i(k) y u(k) representan el valor de muestreo de corriente y voltaje k-ésimo, respectivamente. A partir de estos, se pueden derivar y calcular otras cantidades como Q y cosφ.

4. Conclusión

A través de las pruebas del regulador de voltaje inteligente, este documento encuentra que el dispositivo puede ajustar eficazmente el voltaje en un corto período de tiempo, evitando problemas como sobretensiones y cortocircuitos, asegurando la estabilidad del ajuste de voltaje y logrando un efecto de ajuste de voltaje relativamente ideal. Se puede observar que la aplicación de la tecnología de control PLC en el regulador de voltaje inteligente puede realizar eficazmente la detección y ajuste automático del voltaje, acelerar la velocidad de ajuste de voltaje y que la operación real es relativamente simple. Además, no ocurre ninguna sobretensión durante el ajuste de voltaje, y la computadora superior puede monitorear en tiempo real varios estados de trabajo del dispositivo, lo que juega un papel importante en la transformación y gestión de subestaciones y centros de distribución.