CÓDIGO: FIEC03145
NÚMERO DE CRÉDITOS: 3 Teóricos: O Prácticos: 3
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación
SYLLABUS DEL CURSO Laboratorio De Electrónica De Potencia 1. CÓDIGO Y NÚMERO DE CRÉDITOS
2. DESCRIPCIÓN DEL CURSO
El principal objetivo de este curso es el análisis experimental de los diferentes sistemas de conversión de potencia AC/DC, AC/AC, AC/DC/AC con alimentación monofásica y trifásica: análisis experimental de los circuitos electrónicos de generación de pulsos de disparo y modulación, medición de armónicos y figuras de mérito; el estudio de sistemas de control de torque y velocidad de motores DC y AC en lazo abierto y cerrado: programación de parámetros, optimización de controladores PID, análisis de eficiencia, factor de potencia y armónicos; sistemas de arranque de motores de inducción con convertidores AC/AC; métodos de programación de accionamientos industriales con HMI y programación asistida por computador; uso intensivo de equipos de medición comúnmente utilizados en el área de Electrónica de Potencia y accionamiento de motores. Este curso pone énfasis en el uso de herramientas modernas de programación, modelación y simulación asistida por computador (SPICE y SimPowerSystem) para contrastar los resultados obtenidos con el análisis experimental.
3. PRERREQUISITOS Y CORREQUISITOS.
PRERREQUISITOS FIEC01347 LABORATORIO DE ELECTRÓNICA B
FIEC03251 LABORATORIO DE MAQUINARIA ELÉCTRICA FIEC03152 ELECTRÓNICA DE POTENCIA II
CORREQUISITOS
4. TEXTO GUIA Y OTRAS REFERENCIAS REQUERIDAS PARA EL DICTADO DEL CURSO 1. Autor: Alberto Larco
"Guía de Prácticas del Laboratorio de Electrónica de Potencia" 2012, FIEC-ESPOL 1. Alberto Larco "Material Guía de Electrónica de Potencia I" 2012, FIEC-ESPOL. 2. Alberto Larco "Material Guía de Electrónica de Potencia II" 2012, FIEC-ESPOL. 3. Muhammad H. Rashid, Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, Tercera edición, 2004, Pearson-Prentice Hall
4. Dr. Firuz Zare, Canal Youtube: "Laboratorio Electrónica de Potencia-ESPOL" (Videos de prácticas, proyectos del Laboratorio).
5. RESULTADOS DE APRENDIZAJE DEL CURSO TEXTO GUÍA
REFERENCIAS
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Al finalizar el curso el estudiante será capaz de:
1. Utilizar de manera óptima y segura instrumentos de medición especializados para el área de sistemas de conversión de potencia.
2. Realizar pruebas y el análisis experimental de armónicos y figuras de mérito de los sistemas de conversión de energía AC/DC y AC/AC.
3. Realizar la programación e introducción de parámetros por medio del HMI o herramientas modernas de análisis y programación de parámetros asistida por computador; en sistemas de control de torque y velocidad de motores DC y AC.
4. Familiarizarse con los dispositivos, las técnicas de diseño y las señales de control de los bloques de generación de pulsos de disparo empleados para las diversas topologías de convertidores de potencia: AC/DC y AC/AC.
5. Familiarizarse con las técnicas de sintonización de los controladores PI de corriente y velocidad de los sistemas de control de torque y velocidad de motores DC.
6. Analizar experimentalmente la optimización de parámetros en lazos de control de procesos industriales con controladores Pl.
7. Comprender el papel que juega la Electrónica de Potencia en la eficiente utilización de la energía eléctrica y la importancia del desarrollo e investigación de nuevas tecnologías para convertidores de potencia utilizados en aplicaciones industriales.
6. PROGRAMA DEL CURSO
I. PRÁCTICA No. 1: FAMILIARIZACION CON LOS INSTRUMENTOS DE MEDICION Y EQUIPOS UTILIZADOS EN LAS PRÁCTICAS ( sesiones - 3 horas).
o Medición indirecta de inductancia y capacitancia por medio del ángulo de desfase entre voltaje y corriente en una carga R-L y R-C (oscilogramas de voltaje y corriente).
o Obtención de las curvas de tacómetros. Voltaje DC vs RPM de un tacómetro DC, Frecuencia vs RPM de un tacómetro AC.
o Obtención de curvas velocidad versus corriente de armadura de un motor DC de excitación separada alimentado con voltaje de armadura constante. Utilización del freno de corrientes de Eddy. o Obtención de curvas de velocidad versus corriente del estator de un motor de inducción trifásico con jaula de ardilla.
o Obtención de curvas de velocidad versus corriente del estator de un motor de inducción trifásico con jaula de ardilla.
o Medición y análisis de armónicos en rectificadores trifásicos no controlados.
II. PRÁCTICA No. 2: RECTIFICADORES MONOFASICOS CONMUTADOS POR LINEA (Equipo educativo MAWDSLEY'S) ( sesiones - 3 horas).
o Convertidor AC-DC monofásico de media onda controlado.
o Convertidor AC-DC monofásico de onda completa controlado con transformador con derivación central.
o Convertidor AC-DC monofásico tipo puente de onda completa semi-controlado. o Convertidor AC-DC monofásico tipo puente de onda completa totalmente controlado.
III. PRÁCTICA No. 3: SISTEMAS DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DC EN BASE DE RECTIFICADORES MONOFASICOS SEMICONTROLADOS PARA OPERACIÓN EN UN
CUADRANTE (Equipo educativo Terco MV4200) ( sesiones - 3 horas).
o Identificación de los bloques básicos de control en el diagrama electrónico del equipo: Circuitos de fuerza: alimentación de armadura con rectificador monofásico semi-controlado tipo puente y
protecciones, alimentación de campo con rectificador monofásico no controlado tipo puente, inductancia adicional de armadura para operación con corriente continua. Circuito de captación de señales de realimentación: captación de corriente y voltaje de armadura. Circuito de ajuste de referencia con doble polaridad. Circuito de disparo: sincronizador y generador de pulsos de disparo con aislamiento. Controladores PI de corriente y velocidad.
o Análisis del circuito de disparo y bloque de referencia. Variación del ángulo de disparo por ajuste en la referencia para variar la velocidad del motor DC en lazo abierto. Toma de oscilogramas en diferentes partes del circuito de disparo y contraste con las obtenidas en las simulaciones con SPICE.
o Control de corriente (torque). Sintonización de las ganancias proporcional e integral del controlador PI de corriente ante cambios bruscos del torque aplicado al eje del motor (corriente constante y la velocidad variable).
o Control de velocidad por tacómetro con lazo interno de corriente. Sintonización de las ganancias proporcional e integral del controlador PI de velocidad ante cambios bruscos del torque aplicado al eje del motor (velocidad constante y la corriente variable). Cambio en el nivel de corriente máxima solicitada al controlador PI de corriente.
o Control de velocidad por el método de compensación IxR, con lazo interno de corriente.
Sintonización de las ganancias proporcional e integral del controlador PI de velocidad ante cambios bruscos del torque aplicado al eje del motor (velocidad constante y la corriente variable). Cambio en el nivel de corriente máxima solicitada al controlador PI de corriente. Método de ajuste de la compensación IxR (Equipo educativo MAWDSLEY'S).
o Control de velocidad con realimentación por tacómetro y lazo interno de corriente. Las constantes de los controladores PI de velocidad y corriente están sintonizas internamente.
IV. PRÁCTICA No. 4: SISTEMAS DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DC EN BASE DE RECTIFICADORES MONOFASICOS TOTALMENTE CONTROLADOS PARA OPERACIÓN EN CUATRO CUADRANTES (Equipo educativo basado en el accionamiento de velocidad variable FINCOR 2230MKII) ( sesiones - 3 horas).
o Identificación de los bloques básicos de control en el diagrama electrónico del equipo: Circuitos de fuerza: alimentación de armadura con dos rectificadores monofásicos totalmente controlados tipos puente en conexión anti paralelo y protecciones, alimentación de campo con rectificador monofásico no controlado tipo puente. Circuito de generación de voltajes de alimentación de las secciones de control y referencia bipolar. Circuito sincronizador y generador de pulsos de disparo con aislamiento. Circuito de captación de señales de realimentación: captación de corriente por shunt resistivo con bloque de aislamiento (escalamiento de corriente) y voltaje de armadura con amplificador diferencial y puentes de escalamiento. Circuitos de control de aceleración y desaceleración. Circuito de
escalamiento para el tacómetro analógico. Circuitos de monitoreo de voltaje y corriente de armadura. Circuito de detección de pérdida de tacómetro para cambio automático a método de control IxR. Controladores PI de corriente y velocidad.
o Control de velocidad en cuatro cuadrantes empleando la realimentación por tacómetro. Oscilogramas de corriente de línea y armadura para determinar los cambios en estas variables durante el frenado regenerativo.
o Determinación de la polaridad del tacómetro Variante 1: Polaridad correcta. Variante 2: Polaridad incorrecta. Variante 3: Sin conexión del tacómetro (control IxR).
o Control de velocidad con el método IxR. Calibración del potenciómetro IxR para obtener la óptima regulación de velocidad del variador.
o Análisis de los tipos de frenado del motor con carga, mediante oscilogramas de corriente y velocidad del motor DC. Variante 1: Sin frenado. Variante 2: Frenado dinámico. Variante 3: Frenado regenerativo.
o Avance por pulsos (JOG). Calibración de la velocidad del avance por pulsos. o Salidas para monitoreo de voltaje y corriente de armadura.
V. PRÁCTICA No. 5: RECTIFICADORES TRIFASICOS CONMUTADOS POR LINEA (Equipo educativo MAWDSLEY'S) ( sesiones - 3 horas).
o Convertidor AC-DC trifásico de media onda controlado de 3 pulsos.
o Convertidor AC-DC trifásico de media onda controlado de 6 pulsos (con fuente de seis fases: conexión con toma central del transformador trifásico).
o Convertidor AC-DC trifásico de onda completa tipo puente semi-controlado. o Convertidor AC-DC trifásico de onda completa tipo puente totalmente controlado.
o Variación de velocidad del motor DC con el convertidor AC/DC trifásico de onda completa. Obtención de la constante k del motor DC y su comprobación experimental para diferentes valores de velocidad.
VI. PRÁCTICA No. 6: SISTEMAS DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DC EN BASE DE RECTIFICADORES TRIFASICOS TOTALMENTE CONTROLADOS (Equipo educativo basado en accionamiento de velocidad variable para motores DC MENTOR MP) ( sesiones - 3 horas). o Familiarización con los planos eléctricos y partes constitutivas del equipo procedimiento de encendido y apagado analizando la lógica de relés del panel.
o Accionamiento del panel para el encendido de la interfaz de programación del convertidor de potencia.
o Inicialización del drive para obtener parámetros de fábrica y guardado de parámetros en EEPROM del drive. Conexión al software CT-SOFT para realización de los experimentos.
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o Procedimiento de puesta en marcha del panel junto con el motor y sintonización automática de los controladores PI de corriente y velocidad. Procedimiento de apagado del panel eléctrico.
o Ajuste de velocidad por diferentes métodos. Variante 1: Referencia externa (potenciómetro). Variante 2: Interfaz de programación (keypad). Variante 3: Velocidad fija (pad-ref).
Oscilogramas de voltaje y corriente de la alimentación trifásica y armadura para la variante 3 con diferentes niveles de carga del motor DC.
o Variación de velocidad del motor DC en lazo abierto. o Control de velocidad empleando tacómetro DC.
o Control de velocidad por el método de compensación IxR.
o Selección automática de velocidades (velocidades preseleccionadas). o Avance por pulsos (jog).
o Grabación y lectura de parámetros en tarjeta inteligente (Smartcard).
VII. PRÁCTICA No. 7: CONTROLADORES AC/AC CONMUTADOS POR LINEA (Equipo educativo MAWDSLEY'S) ( sesiones - 3 horas).
o Controlador AC-AC monofásico unidireccional (carga R y RL). o Controlador AC-AC monofásico bidireccional (carga R y RL). o Convertidor AC-DC trifásico unidireccional (carga R y RL). o Convertidor AC-DC trifásico bidireccional (carga R y RL).
o Arranque suave del motor de inducción y toma de oscilogramas de voltaje y corriente en la carga VIII. PRÁCTICA No. 8: ARRANCADORES SUAVES PARA MOTORES DE INDUCCION
TRIFASICOS (Equipo educativo basado en arrancador suave, TELEMECANIQUE ALTISTAR 48) sesiones - 3 horas).
o Familiarización con los planos eléctricos y partes constitutivas del equipo procedimiento de encendido y apagado analizando la lógica de relés del panel.
o Uso de la interfaz hombre-máquina (HMI) del arrancador. Método de inicialización del arrancador con los parámetros de fábrica.
o Uso del software PowerSuite para la programación del arrancador.
o Programar el arrancador en base a los datos de placa del motor de inducción y efectuar procedimientos de arranque en vacío en modo manual. Análisis del modo manual en base la lógica de relés del panel.
o Arranque del motor con carga en modo manual; programación y análisis de los modos de frenado. Toma de oscilogramas de voltaje y corriente del motor durante el tiempo de arranque.
o Programación del arrancador para efectuar el arranque en cascada de dos motores en modo automático. Análisis del modo automático en base a la lógica de relés del panel.
IX. PRÁCTICA No. 9: CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DE INDUCCION CON ACCIONAMIENTOS BASICOS DE VELOCIDAD VARIABLE (Equipo educativo basado en accionamiento para control de velocidad TELEMECANIQUE ALTIVAR 31) ( sesiones - 3 horas). o Familiarización con los planos eléctricos y partes constitutivas del equipo procedimiento de encendido y apagado analizando la lógica de relés del panel.
o Uso de la interfaz hombre-máquina (HMI) del variador. Método de inicialización del variador con los parámetros de fábrica.
o Uso del software PowerSuite para la programación del arrancador.
o Programación del variador en base a los datos de placa del motor de inducción, arranque y variación de velocidad en lazo abierto. Análisis de la lógica de relés del panel y toma de oscilogramas de voltaje y corriente en el motor.
o Efectos en la variación de parámetros: Seguimiento de la rampa de velocidad (FLG), Estado transitorio de la rampa de velocidad (STA), Variación del par (FLG y STA), Eliminación del overshoot (SRF, SLF, STA y UFT), Rampas en S y en U (RPT).
o Modificar conexiones del equipo y efectuar la programación del variador para controlar el voltaje de salida de un generador DC movilizado por el motor de inducción cuya velocidad es controlada por el variador. Operación en lazo cerrado mediante control PI del voltaje generado mediante el control de la velocidad del grupo. Análisis del circuito electrónico de acondicionamiento de la variable controlada.
FORMACIÓN PROFESIONAL FORMACIÓN HUMANA X
FORMACIÓN BÁSICA
o Procedimientos de sintonización de las ganancias proporcional e integral del controlador PI ante cambios bruscos en la carga eléctrica del generador DC.
X. PRÁCTICA No. 10: CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DE INDUCCION PARA
ACCIONAMIENTOS CON PROGRAMACION I/O Y LAZO DE CONTROL CON PI (Equipo educativo basado en accionamiento de control de velocidad DANFOSS FC302) ( sesiones - 3 horas).
o Características del panel eléctrico y procedimiento de encendido y apagado del mismo, analizando la lógica de relés del panel.
o Uso de la interfaz de usuario del variador. Inicialización del variador para obtener parámetros de fábrica. Protección de la programación e introducción de parámetros mediante contraseña. o Conexión del variador al PC empleando el software MCT10.
o Conexiones al panel eléctrico y programación e introducción de parámetros iniciales del variador en base a los datos de placa del motor de inducción, arranque y variación de velocidad en lazo abierto. Análisis de la lógica de relés del panel y toma de oscilogramas de voltaje y corriente del motor.
o Empleo de la secuencia lógica inteligente empleando el diagrama de flujo del software MCT10 simulando un proceso de envasado de botellas.
o Modificar conexiones del equipo y efectuar la programación del variador para controlar el voltaje de salida de un generador DC movilizado por el motor de inducción cuya velocidad es controlada por el variador. Operación en lazo cerrado mediante control PI del voltaje generado mediante el control de la velocidad del grupo. Análisis del circuito electrónico de acondicionamiento de la variable controlada.
XI. SEMINARIO: DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL VECTORIAL DE MOTORES ELÉCTRICOS MEDIANTE PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES Y PROGRAMACIÓN GRÁFICA ASISTIDA POR COMPUTADOR. ( sesiones - 12 horas).
7. CARGA HORARIA: TEORÍA/PRÁCTICA
Una sesión de clases por semana de tres horas de duración por sesión (14 sesiones totales; 10 sesiones para las 10 prácticas y 4 sesiones para la implementación del proyecto).
8. CONTRIBUCIÓN DEL CURSO EN LA FORMACIÓN DEL ESTUDIANTE
Es una materia del eje de formación profesional en la malla de la especialización de Electrónica y Automatización industrial y contribuye en las ciencias de la ingeniería con el análisis y pruebas experimentales de convertidores de potencia: AC/DC, AC/AC y sistemas de control de velocidad y torque de motores DC y AC para aplicaciones industriales; reforzada con el uso de instrumentos de medición especializados y herramientas modernas de programación y monitoreo asistida por computador.
9. RELACIÓN DE LOS RESULTADOS DE APRENDIZAJE DEL CURSO CON LOS RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA CARRERA
RESULTADOS DE CONTRIBUCI RESULTADOS El estudiante debe
APRENDIZAJE DE LA CARRERA ÓN (Alta, Media, Baja) DE APRENDIZAJE DEL CURSO a) Habilidad para aplicar
conocimiento de matemáticas, ciencia e ingeniería
Baja O
b) Habilidad para diseñar y conducir experimentos, así como
para analizar e interpretar datos
Alta 1,2,3,5,6 Diseñar, analizar e interpretar datos obtenidos a partir de los experimentos de sistemas de conversión de potencia AC/DC y
AC/AC y sistemas de control de torque y velocidad de motores
DC y AC.
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iseñar un a o proceso
realistas
Alta 3,4,5,6 Proyecto final donde se diseña, analiza y construye una aplicación en el área de Electrónica de Potencia para solucionar un problema real de la
Industria local. bajar como
ciplinario
Media 1,2,3,4,5,6 Las prácticas se realizan en grupos de tres estudiantes y los reportes se elaboran en grupos. ientificar,
oblemas de 1
Media 2,3,4,5,6 Identificación, formulación y resolución de problemas de Ingeniería en la industria local durante el desarrollo del proyecto
final. Adela ética y 11 — O Imunicarse de Baja O texto ucación tender el ciones de social, onómico y Baja O Io de la )ilidad para con el D de la vida
Media 7 Reportes de las practicas con
tópicos de investigación actualizados en el área de aplicación de convertidores de
potencia AC/DC y AC/AC en equipos modernos con tecnología
de punta. los temas eos Baja O usar las ades y nas para la ieniería
Media 3 Uso de herramientas modernas
de programación e introducción de parámetros asistidas por computador para los sistemas de
control de torque y velocidad de motores DC y AC. Ir, gestionar
iyectos
--- O
10. EVALUACIÓN DEL CURSO c) Habilidad para d sistema, component
bajo restricciones
d) Habilidad para tra un equipo multidis e) Habilidad para i formular y resolver p ingeniería f) Comprensión responsabilidad profesion g) Habilidad para c efectivame h) Una amplia ed necesaria para en impacto de las solu ingeniería en un con
medioambiental, ec global i) Reconocimien necesidad y una hal comprometerse aprendizaje a lo larg j) Conocimiento de contemporán k) Habilidad para técnicas, habilid herramientas moder práctica de la in I) Capacidad de lider o emprender pr Actividades de Evaluación Exámenes Lecciones X Tareas Proyectos X
11. RESPONSABLE DE LA ELABORACIÓN DEL SYLLABUS Y FECHA DE ELABORACIÓN
12. VISADO
13. VIGENCIA DEL SYLLABUS
Laboratorio/Experimental Participación en Clase Visitas en Clase Otras X Elaborado por : Fecha:
ING. DAMIAN LARCO G. 22 FEB 2013 NOMBRE: NOMBRE: SECRETARIO ACADÉMICO DE LA UNIDAD ACADÉMICA DIRECTOR DE LA SECRETARIA TÉCNICA ACADÉMICA
Sra.Leono jr
ng.Marcos Mendoza v.
IRMornl
I
~
4
_500 1, a de aprobación en el ejo Directivo:013-537 2013-10-7
FIRMA: ESCUELA SUPERO:1 F • • 1111111[LITORAt444
4/1rcos enclozo V
DIRECTOR DE LA SECRETARIA _ ru.^1,31SPAIGA FECHA: 3 —1 2-12
RESOLUCIÓN DEL CONSEJO POLITECNICO:
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