ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORAL Facultad de Ingeniera

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación “Diseño e implementación de equipo didáctico para el control y visualización de características dinámicas de motores eléctricos” Jaime Vera Verzola

Objetivo n n Diseño y construcción de un equipo didáctico para el control de motores eléctricos trifásicos de inducción, basado en equipos industriales de control de velocidad y arrancadores suaves. La obtención y procesamiento de las variables de sistema (corriente, tensión, frecuencia, etc) se la realizará mediante el software Lab. VIEW utilizando la tarjeta de adquisición de datos.

Descripción del equipo “JAIVER”

Controlador lógico programable SIEMENS SIMATIC S 7 -300 1. 2. 3. 4. Fuente de poder SITOP Módulo central CPU 312 C Módulos de señales Cable para conectar una unidad de programación PG

Breve descripción del PLC n n n Fuente de poder: 24 Vdc, 5 A CPU 312 c: 16 KB, 10 DI, 6 DO Módulo de entradas digitales ¨ n Módulo de salidas digitales ¨ n SM 322 16 DO por relé Módulo de salidas analógicas ¨ n SM 321 16 DI SM 331 8 AI 12 bits de resolución Módulo de entradas analógicas ¨ SM 332 4 AO 12 bits de resolución

Software de programación STEP 7 n Lenguajes de programación ¨ KOP, diagrama eléctrico, contactos y bobinas ¨ FUP, bloques de funciones lógicas ¨ AWL, comandos de texto

Configuración del Hardware Definición de lugar en el bastidor n Direccionamiento de entradas y salidas n

Programación simbólica n Dirección absoluta Tipo: (I, Q, M, T) ¨ Byte: Grupo ¨ Bit: Indice (0 -7) ¨ n Símbolo: nombre asignado

Conexión de E/S del S 7 -300

Comunicación con el PC Cable PC Adapter: MPI (Multi Point Interface) a USB, permite comunicarse con hasta 32 estaciones n Transferencia del programa en ambos sentidos n Permite depurar el programa en línea con el PLC n

Freno por corrientes de EDDY TERCO MV 1045 Disco conductivo n Electroimán n Ejes independientes n Galga extensiométrica n Tacogenerador n

Módulo de control y monitoreo TERCO MV 1045

Adquisición de datos por medio de

Características de la tarjeta de adquisición NI 6221 n Entradas analógicas ¨ ¨ ¨ n Salidas analógicas ¨ ¨ ¨ n 8 diferenciales o 16 simples 16 bits de resolución Rango: ± 10, ± 5, ± 1, ± 0. 2 V 2 canales 16 bits de resolución Rango: ± 10 V Entradas/Salidas digitales ¨ ¨ ¨ 24 V Nivel lógico alto: 2. 2 – 5. 25 V Nivel lógico bajo: 0 – 0. 8 V

Circuitos de acondicionamiento Corriente n Voltaje n Torque n Velocidad n

Elementos de un instrumento virtual (VI) Programación gráfica n Panel frontal ¨ Conjunto de controles e ¨ indicadores n Diagrama de bloques ¨ Código del programa

Arrancadores Suaves Efectos de arranque a plena tensión n Perturbaciones en la red de alimentación n Par de arranque muy alto Ventajas del arranque suave n Torque de aceleración suave y constante n Flexibilidad en la ejecución del arranque ¨ ¨ ¨ n n Límite de corriente Rampas de aceleración ajustables Refuerzo del torque de arranque (boost) Control de torque durante la deceleración Funciones de protección

Esquema funcional

Tarjetas electrónicas del ATS 48

Aceleración con Sistema de Control del Torque

Curvas de arranque CURVA CARACTERISITCA VELOCIDAD - TORQUE 300% Plena Tensión Rampa de Torque de carga 200% Torque de Aceleración Constante 100% 0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% CURVA CARACTERISTICA VELOCIDAD - CORRIENTE 600% 400% 200% 0% Plena Tensión Rampa de Torque 0% 30% 40% 60% VELOCIDAD DEL MOTOR 80% 100%

Características del ATS 48 D 17 Q Alimentación: 230/415 V, 50/60 Hz, 17 A n Motor: 230 V - 4 k. W, 400 V - 7. 5 KW n ¨ Panel frontal (ENT, ESC, ▲▼, Display) ¨ Borneras Control (RUN, STOP, 2 LI, 2 LO, 1 AO, PTC, RJ 45) n Potencia (L 1 L 2 L 3, T 1 T 2 T 3, A 2 B 2 C 2) n

Parámetros Básicos Parámetro Valor Menú In 7. 0 A Set ACC 15 s Set Sty F, rueda libre Set LI 3 LIS, 2º par. IO AO Otr, par del motor IO Visualiza estado SUP

Conexión al PC n Software Power Suite ¨ Parametrizar ¨ Controlar ¨ Visualizar

Variadores de frecuencia n n Transforman el voltaje de entrada de frecuencia fija (60 Hz) a frecuencia variable Controla la velocidad de motores de corriente alterna

Estructura de un variador de frecuencia n Rectificador Monofásico ¨ Trifásico ¨ n Circuito intermedio Inductor ¨ Capacitor ¨ Troceador ¨ n n Inversor Controlador PAM ¨ PWM asíncrono ¨ n n SFAVM 60º AVM

Circuito intermedio y de fuerza del variador Altivar 31 EUPEC FB 15 R 06 KL 4_B 1

Características del ATV 31 HU 15 M 2 Entrada: 200. . 240 V, 50/60 Hz, monofásico n Salida: 200. . 240 V, 8 A, 1. 5 k. W 2 HP, trifásico n ¨ Panel frontal (ENT, ESC, ▲▼, Display) ¨ Borneras Control (6 LI, 2 RO, 3 AI, 2 AO) n Potencia (R S, U V W, PO PC, PA PB) n

Parámetros Básicos Altivar 31 Parámetro Valor Menú n. Cr 7. 0 A d. RC Un. S 220 V d. RC ACC 5 s SEt d. EC 5 s SEt LSP 5 Hz SEt HSP 60 Hz SEt t. CC 3 C, control 3 hilos I-O rr. S LI 3 I-O PSS Vel. Preselec. FUN Visualiza estado SUP

Conexión al PC n Software Power Suite ¨ Parametrizar ¨ Controlar ¨ Visualizar

Características del DANFOSS FC 302 n n Entrada: 200. . 240 V, 50/60 Hz, trifásico Salida: 200. . 240 V, 7. 5 A, 1. 5 k. W 2 HP, trifásico ¨ Panel de control local n Display n Luces indicadoras (ON, Warn, Alarm) n Teclas de menú (Status, Quick, Main, Alarm) n Teclas de navegación (Dirección, Back, Cancel, Info, OK) n Teclas de funcionamiento (Hand On, Off, Auto On, Reset) ¨ Borneras n Control (6 DI, 2 AI, 1 AO, 2 DO, 2 RO) n Potencia (L 1 L 2 L 3, U V W, -DC +DC, R- R+)

Ajuste Rápido (Quick Menu) Parámetro Valor Menú 00 -01 Idioma Español Funcionam. /Display 01 -20 Potencia 1. 5 k. W Carga/Motor 01 -22 Tensión 220 V Carga/Motor 01 -23 Frecuencia 50 Hz Carga/Motor 01 -24 Intensidad 6. 95 A Carga/Motor 01 -25 Velocidad 1420 rpm Carga/Motor 05 -12 Terminal 27 Parada E/S digital 03 -02 Ref. min 0 rpm Referencias/Rampas 03 -03 Ref. Máx 1800 rpm Referencias/Rampas 03 -41 Rampa acel 5 s Referencias/Rampas 03 -42 Rampa decel 5 s Referencias/Rampas 03 -13 Lugar ref Conex. A manual/auto Referencias/Rampas

Control de Lógica Inteligente (SLC) Comparadores n Temporizadores n Reglas lógicas n Estados n ¨ Evento ¨ Acción

Conclusiones 1. 2. 3. El desarrollo de los arrancadores suaves o estáticos ha permitido reducir el impacto de la corriente de arranque de los motores sobre la red a la cual se encuentran conectados y el esfuerzo mecánico de las maquinarias que manejan. Sin embargo, introduce perturbaciones armónicas momentáneas en la red. Se debe tener en cuenta el correcto seteo del parámetro ACC, que controla el tiempo de rampa de aceleración, para evitar picos de corriente al momento de efectuar el bypass, producidos cuando el motor no desarrolla suficiente velocidad en el arranque. Los variadores de frecuencia son ampliamente utilizados en la industria para el control de velocidad de diferentes máquinas, tales como: tornillos, bobinas, ventiladores, bombas, etc. Gracias a las entradas analógicas de referencia y a las diferentes funciones que poseen, permiten manipular la frecuencia suministrada al motor de acuerdo a las necesidades presentes en el medio.

Conclusiones 4. 5. 6. 7. El Control Lógico Inteligente (SLC) del variador Danfoss FC 302 brinda la facilidad de manejar operaciones rutinarias obteniendo señales del medio y procesándolas usando operadores lógicos, comparadores y temporizadores. El Controlador Lógico Programable (PLC) permite establecer el orden de encendido de los equipos y demás periféricos, dando una operación más sencilla al usuario, resumiendo la cantidad de elementos como relés y temporizadores que se utilizarían con un control tradicional. El equipo TERCO MV 1045 ofrece una carga variable aprovechando el efecto de freno que generan las corrientes de Eddy, esta carga nos permite estudiar el comportamiento del motor acoplado midiendo el torque y la velocidad. El software de monitoreo elaborado con Lab. VIEW muestras las formas de onda de corriente y voltaje características de cada equipo, teniéndolas como patrón de un funcionamiento normal nos permiten hacer una evaluación y pronóstico de fallas, por lo cual constituye una herramienta importante para el estudio y mantenimiento de equipos.

Recomendaciones n n n La variación de carga debe hacerse teniendo en cuenta la corriente que se está suministrando al motor para evitar que se exceda la corriente nominal del motor por sobrecarga. Es importante el diseño adecuado de un panel eléctrico como el elaborado en esta tesis, teniendo en cuenta las precauciones y dispositivos de seguridad para evitar accidentes graves. También debe tener un mecanismo de encendido independiente para el circuito de control y fuerza que permita hacer pruebas de secuencia. Es recomendable incluir luces indicadoras para la alimentación general y de dispositivos principales que sirvan para visualizar la presencia de tensión, de la misma manera para las fuentes de voltaje DC. Para los circuitos de acondicionamiento de señal se deben utilizar fuentes independientes para aislar el circuito de fuerza y de este modo evitar que los fallos sean transmitidos a la tarjeta de adquisición. Los equipos electrónicos que utilizan semiconductores introducen armónicos a la red, para disminuir su incidencia en la red se recomienda el uso de filtros. Se puede incluir en el diseño del panel para comprobar su efectividad.