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SISTEMA AUTOMÁTICO DE MEDIDAS ELÉCTRICAS Y DE PAR EN BANCO DE MOTORES DE LABORATORIO Jesús Lozano Rogado U. Extremadura, Grupo de Clasificación de Patrones y Análisis de Imágenes – jesuslozano@unex.es Fernando Rodríguez Vicente U. Politécnica de Madrid, E.T.S.I. Navales, Dpto. S.O.N. – fernando.rodriguez.vicente@upm.es Amable López Piñeiro U. Politécnica de Madrid, E.T.S.I. Navales, Dpto. S.O.N. - amable.lopez@upm.es Resumen El objetivo de este trabajo es la presentación de un banco automático de ensayos de máquinas eléctricas, basado en el control por PC y la utilización de redes de comunicación RS485 y dispositivos de E/S distribuida. El sistema se compone por tanto de dos partes: el sistema mecánico en el que se a lo largo de un eje se encuentran acoplados un generador asíncrono, un medidor de par comercial, un cilindro para montar un torsiómetro basado en extensiometria, un medidor de revoluciones y un generador de corriente continua. Por otra parte, se encuentra todo el sistema de control y medida de parámetros eléctricos y mecánicos. Todo el sistema está gobernado por un programa en Labview y ejecutado en el ordenador de control del sistema. El objetivo del sistema diseñado es la realización de prácticas para la simulación de la potencia propulsiva de buques. Palabras Clave: máquinas eléctricas, control por PC, medidas, docencia. 1 INTRODUCCIÓN Clásicamente, los laboratorios de electrotécnia e instrumentación de las Escuelas Técnicas han estado orientados hacia la formación curricular de los alumnos en aspectos relacionados con la arquitectura y métodos de uso de equipos de medida que funcionan en el dominio de la frecuencia, y que por tanto, deben ser utilizados para analizar regímenes permanentes, o al menos, que posean constantes de tiempo superiores a las de los equipos de medida. La única herramienta de uso general que está ampliamente extendida para el análisis de las señales en el dominio del tiempo es el osciloscopio, que cuando está basado en una tecnología completamente analógica exige su aplicación sobre señales periódicas. La medida de las magnitudes eléctricas durante un transitorio no puede realizarse con los instrumentos analógicos y digitales convencionales, pues estos están diseñados para realizar medidas en régimen permanente senoidal, y por tanto suministran información errónea durante un transitorio. Aunque la información obtenida con la instrumentación convencional para régimen permanente senoidal (mediante voltímetros, amperímetros, vatímetros, etc.) suele ser suficiente en la mayoría de ensayos y aplicaciones, la medición de magnitudes instantáneas es necesaria en muchas ocasiones. En maniobras como el arranque, paro, o cambio en el par resistente de un motor eléctrico, la medida de las tensiones y corrientes instantáneas permiten conocer la potencia instantánea consumida por la máquina, y por ende apreciar la evolución en función del tiempo de las potencias aparente, activa, reactiva y de distorsión del acciomiento eléctrico durante dicho transitorio, y por supuesto de magnitudes derivadas de las anteriores como el cosj. Por otra parte, muchos de los instrumentos convencionales cuyo funcionamiento se basa en el régimen permanente senoidal, además de resultar ineficaces en la medida de transitorios, tampoco muestran valores fiables en régimen permanente, debido a que en su calibración no se tiene en cuenta el contenido espectral de la señal a medir, bien sea porque se trata de señales distorsionadas, bien porque dicho contenido espectral proviene de la excitación de las máquinas con tensiones o corrientes triangulares o cuadradas, o simplemente porque el ancho de banda del instrumento de medida no es el más adecuado. Tambien es de reseñar, que en algunas prácticas enfocadas a realizar ensayos de máquinas o dispositivos, la mayor parte del tiempo se pierde en la toma de numerosos datos en tablas interminables, con lo que sería deseable disponer en el laboratorio de un sistema de medida lo más automatizado posible que permita al alumno realizar un mayor número de ensayos y dedicar el tiempo de la práctica a la comprensión de otros conceptos más relacionados con la asignatura. e= − N · Por todo ello, en los últimos años se ha asistido al desarrollo de sistemas de adquisición de datos basados en técnicas de muestreo que permiten ampliar el campo de estudio al análisis de los regímenes transitorios y que realice las medidas de una forma automática. De esta forma se han descrito varias publicaciones de sistemas de medida automáticos para máquinas eléctricas [1-3] así como aplicaciones virtuales para la realización remota de prácticas de laboratorios [4, 5]. Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. En el banco de pruebas presentado en esta comunicación no sólo se van a medir variables eléctricas como las tensiones, corrientes, potencias, factor de potencia del motor y del generador sino que también se van a medir otros parámetros no eléctricos como el par motor y las revoluciones. Estas magnitudes se van a poder medir tanto en régimen transitorio como permanente y se van a poder realizar de una forma automática. La medida del par torsor suele realizarse, durante las pruebas de mar de los buques, mediante equipos de extensometría instalados en dichas pruebas, para verificar la coincidencia con el valor teórico indicado por el fabricante del motor. Este tipo de mediciones implica la utilización de equipos de medida portátiles similar al diseñado y mostrado en este trabajo. Otro tipo de sistemas fijos de medida de par disponible en los ejes propulsores de los buques pueden incorporar elementos intermedios en el eje o no (patentes US6269702 y D3104092). Los sistemas fijos de medida de empuje disponible en los ejes propulsores incorporan elementos intermedios, normalmente localizados en el cojinete de empuje (patentes US6105439 y GB573987). 2 FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1 MOTOR ASINCRONO El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday: dΦ dt (1) El campo magnético giratorio gira a una velocidad denominada de sincronismo. Sin embargo el rotor gira algo más despacio, a una velocidad parecida a la de sincronismo. El hecho de que el rotor gire más despacio que el campo magnético originado por el estator, se debe a que si el rotor girase a la velocidad de sincronismo, esto es, a la misma velocidad que el campo magnético giratorio, el campo magnético dejaría de ser variable con respecto al rotor, con lo que no aparecería ninguna corriente inducida en el rotor, y por consiguiente no aparecería un par de fuerzas que lo impulsaran a moverse. 2.2 GENERADOR DE CC Los generadores de c.c. o dinamos convierten una energía mecánica de entrada en energía eléctrica de salida en forma de corriente continua. La máquina de c.c. puede funcionar tanto en régimen generador como en régimen motor [6]. Se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante dos escobillas. 2.3 PAR MOTOR El par motor es la fuerza que es capaz de ejercer un motor en cada giro. El giro de un motor tiene dos características: el par motor y la velocidad de giro. Por combinación de estas dos se obtiene la potencia, definida así: P= C × ω (2) donde: C es el par motor (en "N·m") ω es la velocidad angular (en "rad/s") Un ejemplo práctico para comprender la diferencia entre par y potencia lo podemos observar en los pedales de una bicicleta; en donde el motor sería la persona que pedalea, y el par motor, en ese caso, la presión o fuerza que ejerce sobre los pedales. Si por ejemplo, la persona conduce su bicicleta a una determinada velocidad fija, digamos unos 15 km/h, en un piñón grande, dando 30 giros o pedaleadas por minuto; estaría generando una potencia determinada; y si cambia a un piñón pequeño, y reduce a 15 las pedaleadas por minuto, estaría generando la misma potencia, pero el doble de par; pues deberá hacer el doble de fuerza con cada pedaleada para mantener la velocidad de 15 km/h. En los motores eléctricos, si se mantiene constante la tensión, el par aumenta para mantener la velocidad cuando la resistencia al giro es mayor, mediante el aumento de la corriente consumida. Figura 2: Esquema del banco de pruebas de motores Las características de los equipos utilizados en el banco de motores son las siguientes: MOTOR ASINCRONO. 3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 3.1 DESCRIPCIÓN MOTORES DEL BANCO DE Motor de jaula de ardilla de simple devanado. Potencia nominal: 5 CV Tensión nominal: 220/380 V Conexión: Triángulo. Corriente nominal: 15 A Frecuencia: 50 Hz Cos φ: 0,87 Velocidad nominal: 1.450 r.p.m. Número de polos: 4 Aislamiento: Clase B (UNE 21-304) Forma constructiva: B 3 (UNE 20-112-74) Servicio: 100 Marca de fábrica: INDAR GENERADOR DE C.C. Figura 1: Banco de pruebas de motores En la figura 1 se muestra el banco de motores diseñado. Se encuentra montado en una bancada común un motor asíncrono de jaula, objeto del ensayo, un cilindro de aluminio sobre el que se instalan las galgas extensiométricas para la medición del par, un medidor de par y revoluciones y un generador de corriente continua. Se ha conectado a este último una caja de resistencias para disipar la energía generada durante la prueba de carga del motor. El arranque del motor se realiza de forma directa, utilizándose para ello un contactor y una caja de pulsadores de arranque y parada. También se dispone de un arrancador estrella triángulo junto al banco para cambiar las condiciones de arranque. En la figura 2 se muestra un esquema en el que se identifican los diferentes componentes del banco de motores. Conexión: Shunt Potencia nominal: 3 Kw Velocidad nominal: 1.500 r.p.m. Número de polos. 4 Inducido: 220 V, 14 A Excitación: 180 V, 1,3 A Aislamiento: Clase B (UNE 21-304) Forma constructiva: B 3 (UNE 20-112-74) Servicio: 100 Marca de fábrica: INDAR. CAJA DE RESISTENCIAS. Conexión: Estrella o triángulo. Potencia nominal: 5 Kw Marca de fábrica: PALIBA CONTACTOR DE ARRANQUE. Fabricante: Telemecanique Denominación: LC1 D09 Corriente térmica. Ith: 25 A Tensión de empleo: Trifásica. 230 V CILINDRO DE ALUMINIO (Base de las galgas extensométricas). Longitud: 205 mm Diámetro (Ext/Int): 46/41 mm Módulo elástico a torsión: 69.5 GPa PC que es el destinatario de las mismas La presentación de datos en pantalla se ha llevado a efecto, utilizando el programa “LABVIEW”. Las medidas de magnitudes analógicas se realizan con una serie de módulos “ADAM” comerciales de la firma Advantech. TORSIOMETRO. Fabricante: HBM Tipo: T20WN/20nM Rango de medida: 0-20 Nm Tensión de alimentación: 12 V DC Consumo de potencia: <2.4W Voltaje de salida: +10V -10V 3.2 DESCRIPCIÓN DEL CONTROL Y MEDIDA SISTEMA DE En la Figura 3 se muestra el sistema automático de control y medida con todos los dispositivos de medida, la red de control, y el contactor de arranque. En la Figura 4 se ha representado el esquema de conexiones realizado. Figura 3: Sistema de control y medida Las medidas del motor asíncrono, en estudio, pueden subdividirse en la medida de los parámetros eléctricos y la de los mecánicos. La primera se efectúa a través de tres transformadores de corriente y medida directa de la tensión (BT) en un analizador de red PM710 de Merlin Gerin que la digitaliza y elabora a partir de la misma otros valores derivados de los anteriores (potencia activa y reactiva, frecuencia, etc.). Todos estos datos salen del módulo citado y entran en el ordenador a través de la red RS485 usando el protocolo de comunicaciones ModBus. Los dos parámetros mecánicos, del máximo interés para las pruebas, son el par y la velocidad del motor. La medida del par se puede realizar de dos formas diferentes: utilizando un medidor de par comercial y mediante un sistema de galgas extensiométricas que determinan el par de torsión que se está transmitiendo a través del eje motor de la máquina. La señal eléctrica, generada en el eje, se transmite por radio (FM) a un receptor que la envía a un módulo ADAM. La medida de las revoluciones se realiza también de dos formas: con el medidor de par comercial y con un sensor de revoluciones, montado sobre la brida de salida del motor y conectado a otro módulo ADAM. Para cargar el motor que estamos ensayando se utiliza un generador de corriente continua el cual, a su vez se carga con banco de resistencias, figurado en el esquema. La medida de la corriente de excitación y de inducido del generador se realiza por medio de dos shunts calibrados y se mandan, para adaptarlas a la entrada digital del ordenador a dos módulos ADAM de medida de tensión. Por otra parte, la medida de la tensión en bornes del generador se mide con un montaje potenciométrico y enviada a otro módulo de medida de tensión. Con estas medidas se puede calcular la potencia que entrega el generador a la carga reostática y la absorbida por la excitación. 4 Figura 4: Esquema de conexiones. En primer lugar se puede apreciar en la figura que se trata de un sistema de adquisición de datos controlado por ordenador utilizando una red de control y medidas distribuidas, en este caso RS-485. Esta red conecta todos los módulos de medida y el DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA DE CONTROL La programación de todo el sistema de control y medida se ha realizado utilizando el lenguaje Labview. Se trata de un lenguaje de tipo gráfico en el que la programación consiste en ir situando dentro de una serie de módulos o controles (equivalentes a • subprogramas) distintos "componentes" de procesamiento de la información, analógicos, digitales, strings, etc., como sumadores, comparadores, puertas lógicas, etc. que se conectan a os componentes propios de la pantalla del operador, de la red de medida, a través de un puerto serie del ordenador y con el sistema de almacenamiento de datos en disco. 4.1 • • ConvPM710: Es un módulo de conversión de los datos del PM710Read. Val2Units: Es el módulo encargado de pasar todos los valores a un formato adecuado para su tratamiento en sus unidades correctas de presentación y salida a fichero. Interface: Este es el módulo encargado de presentar e interrelacionar a la aplicación con el usuario ESTRUCTURA DEL PROGRAMA Para facilitar la programación, comprensión del sistema y mantenimiento se ha utilizado una estructura con varios módulos. En la Figura 5 podemos apreciar el diagrama de conexión entre los mismos. Mención aparte, merecen los importantes controles de supervisión y manejo de la red de medida RS-485 ModBus, para transmitir al analizador de red PM710 las órdenes oportunas y recibir de este las lecturas requeridas. Para ello, se han desarrollado una serie de controles asociados cada uno de ellos a una petición en particular. Adicionalmente se han desarrollado los módulos de comunicaciones con los módulos Adam que funcionan de manera transparente en la misma red RS-485 que el PM710. Finalmente también se han utilizado algunos controladores existentes en la librería de Labview, entre los que merecen destacarse: • • • • • Figura 5: conexiones entre los módulos del programa La función de los diferentes módulos es la siguiente: PRODIMAB: Programa principal y para el control de la Interface de usuario. De esta manera se han desarrollado los siguientes controles: • • • • • • • Init_RS-485: Permite configurar el puerto de comunicaciones así como todos los parámetros de los diferentes protocolos de comunicaciones empleados en el programa. ErrorControl_IO: Realiza la supervisión de los posibles errores de comunicaciones y lecturas con los correspondientes timeouts. PM710Read: Realiza la lectura de todos los parámetros entregados por el módulo PM710. Adam8080DRead: Módulo encargado de leer el los valores leídos por el Adam 8080D que es el encargado de la frecuencia de las revoluciones. Adam4017Read: Módulo encargado de leer el los valores leídos por el Adam 4017 que es el encargado de medir las señales analógicas implicadas en el sistema. Conv8080D: Es un módulo de conversión de los datos del Adam8080DRead. Conv4017: Es un módulo de conversión de los datos del Adam4017Read. 4.2 Close File. Open/ Create/ Replace File. Simple Error Handler. Write File+ (string). Serial Port Init. INTERFAZ DE USUARIO La Interface gráfica de usuario (IGU) sobre la que trabajarán básicamente los alumnos y profesores ha incluido un espacio para que se vayan realizando la secuencia de acciones manuales de una forma guiada y segura. Además de esta ayuda, en la pantalla deben aparecer los valores numéricos instantáneos de las medidas y la evolución temporal gráfica de los más importantes. Finalmente existirán una serie de botones y campos de datos para introducir la identificación del ensayo e iniciar y parar el registro de datos. Figura 6: Panel principal del programa de control En la Figura 6 se puede apreciar el diseño de esta interface para la práctica de ensayo del motor asíncrono. En ella podemos apreciar los siguientes elementos de arriba abajo: Cuatro ventanas de representación histórica de los valores medidos en los últimos minutos. En todas se ha elegido una escala relativa, entre 0 y 1,5 tomando como base, aproximadamente los valores nominales. Para identificar cada medida se utiliza un código de colores. Corresponden a los siguientes equipos: • • • • Motor Asíncrono: Tensión con un valor nominal de 220 V, Intensidad con 15 A y Potencia activa con 5 kW. Torsiómetro (potencia mecánica): Potencia 5 kW, Par 25 Nm y R.P.M. (en este caso el 1 corresponde a 1500 y el 0 a 1400). Medidor HBM Torsiómetro (potencia mecánica): Potencia 5 kW, Par 25 Nm y R.P.M. (en este caso el 1 corresponde a 1500 y el 0 a 1400). Medidor extensométrico. Dinamo freno: Tensión 220 V, Intensidad 15 A, potencia 5kW. se le pueda indicar al alumno, de forma breve, los pasos que tiene que realizar; cada vez que complete uno deberá accionar el pulsador para pasar al siguiente. Otra alternativa, a realizar en el futuro, es que si a través del sistema de medida se detecta que no se ha realizado correctamente el piloto aparece en rojo y se bloquea el avance al paso siguiente. 5 MEDIDAS REALIZADAS En este apartado se van a mostrar a modo de ejemplo algunas gráficas elaboradas a partir de los datos adquiridos con el banco de pruebas presentado en este trabajo. En primer lugar se han realizado las curvas parvelocidad del motor asíncrono conectado en el banco. Para ello se han realizado varios arranques de dicho motor con el contactor, teniendo el sistema conectado y midiendo. Se han realizado tres pruebas diferentes en función de la carga conectada al generador de c.c. de esta forma se han obtenido tres curvas parrevoluciones correspondientes al generador en vacío, a media carga y a plena carga. Estas gráficas se muestran en la figura 7. Indicadores numéricos de los valores instantáneos de las distintas medidas efectuadas con sus correspondientes unidades. Corresponden a: • • En la parte inferior de la pantalla existen distintos botones espacio para rótulos y menús, cuyo objeto es el control de la toma de datos, incluida identificación, por parte de los alumnos. De izquierda a derecha tenemos: • • • Botón para el arranque y parada del registro de los datos en un fichero del disco duro del ordenador. Fecha y Hora indicada por el reloj del ordenador, que se graba en cada medida registrada. Botón para finalizar el programa Plena carga Media carga Vacío 15 Par (Nm) • Motor asíncrono: Potencia activa, media de la Tensión entre fases, media de la Intensidad de línea, y Factor de potencia. Potencia mecánica: Potencia, Par y R.P.M. Medidor HBM Potencia mecánica: Potencia, Par y R.P.M. Medidor extensométrico. Dinamo freno: Potencia eléctrica suministrada por la máquina, Tensión de inducido, Intensidad de inducido e Intensidad de excitación. 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Velocidad (r.p.m.) Figura 7: Curvas par velocidad del motor asíncrono 20 15 Par (Nm) • 20 10 Plena carga Media carga Vacío 5 0 0 5 10 15 Tiempo (segs) El funcionamiento del sistema de ayuda posibilitará que una vez que se ha seleccionado un tipo de ensayo Figura 8: Curvas par-tiempo en arranque estrellatriangulo. A continuación, se ha conectado el arrancador estrella-triangulo y se han repetido con las tres situaciones anteriores de carga. En la figura 8 se muestran los valores de par obtenidos frente al tiempo. Se puede observar en la gráfica el momento en el que cambia la conexión del motor de estrella a triangulo. 20 Par (Nm) Icc (A) 15 10 Con los datos de la curva aproximada se obtienen las constantes del circuito equivalente del motor asíncrono mediante la metodología seguida en el análisis de dicho circuito equivalente. 7 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Figura 9: Representación del par y la corriente de salida frente a conexión escalonada de las cargas. A continuación se muestra en la figura 9, a modo de ejemplo la medida de la corriente de salida del generador junto con el par medido. En este caso, se van conectando las cargas escalonadamente hasta llegar a plena carga para después ir desconectando hasta quedar al generador en vacío. 6 Para cada una de estas situaciones se procede a recoger los datos en archivos diferentes, analizando posteriormente los resultados y realizando la presentación como lo in-dicado anteriormente. Se hará una presentación comparativa de las distintas magnitudes observadas en la situación de arranque, vacío y en carga. PRÁCTICAS A REALIZAR POR LOS ALUMNOS La práctica tiene como objetivo que los alumnos obtengan de forma automática, los parámetros de funcionamiento de un motor asíncrono de jaula de ardilla, en las situaciones de arranque, vacío y carga. Para ello van a utilizar un programa de ordenador que permite obtener y analizar de forma automática los valores de tensión, corriente, factor de potencia, potencia activa, reactiva, y aparente, par, revoluciones y rendimiento del motor asíncrono. La práctica se inicia con el arranque del motor, tomándose medidas y posteriormente, con el motor a régimen se estudia su funcionamiento en carga, utilizando para ello una dinamo accionada por el propio motor; a la dinamo se le aplican resistencias de carga. El sistema se controla por medio de un conjunto de menús que permiten obtener los valores deseados. Los valores se almacenan en memoria así como los cálculos realizados, recuperando los datos a voluntad de los alumnos. CONCLUSIONES El objetivo básico de este proyecto era dotar a la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Navales de un banco de pruebas didáctico, para la realización de ensayos de potencia. Por ello se ha pretendido desarrollar un sistema de medidas, automatizado y controlado por ordenador, que elabore y suministre una base de datos relativos a los ensayos realizados en distintas máquinas eléctricas. Los sistemas de medidas de pares y revoluciones son muy similares a los utilizados en la industria. En primer lugar utilizando torsiómetros comerciales y por último utilizar sensores inductivos y un cilindro combinado con galgas extensiométricas. Este último es muy similar al empleado en los buques, por lo que es muy importante que cualquier alumno que se esté formando para ser Ingeniero Naval conozca su existencia y funcionamiento. Por último reseñar que este sistema es importante para que el alumno adquiera conocimientos sobre redes industriales de comunicaciones así como instrumentación y automatización virtual con ordenador. Referencias [1] L. Guasch, A. Romero, H. Moreno, F. Córcoles, “Adquisición y Tratamiento de Datos para Máquinas Eléctricas Rotativas” National Instruments Day. October 1997. [2] H. Valderrama, L. Guasch, L. Massagués, “Adquisición de Datos e Instrumentación para un Laboratorio Docente de Máquinas Eléctricas” JHLIE'99 - 6as. Jornadas HispanoLusas de Ing. Eléctrica. Proceedings, Vol 1, pp 37-44. [3] A. Madrazo; M. Mañana, “Ensayos de máquinas eléctricas en el dominio del tiempo con fines docentes” X Reunión de Grupos de Investigación en Ingeniería Eléctrica. Santander, Marzo 2000. [4] Vallvé Navarro, J.; Costa Castelló, R.; Hernández Valdivieso, A.M. Laboratorio virtual para prácticas de control por computador. A: XXVIII Jornadas de Automática. 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