ÍNDICE
CAPÍTULO I ... 3
1.2 Antecedentes ... 5
1.3 Justificación ... 6
1.4 Objetivo General ... 7
1.4.1 Objetivos Específicos ... 7
1.5 Alcances ... 8
CAPÍTULO II ... 9
2.1 Características Generales de la Empresa ... 10
2.1.1 Tipos de Servicios que se Prestan ... 10
2.1.2 Estructura Organizacional ... 11
2.2 Caracterización del Área de Trabajo ... 11
2.2.1 Función del Departamento Donde se Realiza la Residencia ... 11
CAPÍTULO III ... 12
3.1 Marco Teórico ... 13
3.1.1 Generadores síncronos. ... 14
3.1.1 Ley de Faraday e inducción magnética. ... 13
3.1.10 Control de potencia de CC a CC: Recortador ... 24
3.1.11. Control de Corriente. ... 25
3.1.12. Controlador lógico programable. ... 26
3.1.2. Generadores y motores. ... 13
3.1.3. Excitatriz sin escobillas de generador asíncrono ... 15
3.1.4. Funcionamiento de un generador sincrónico ... 16
3.1.5. Velocidad de rotación de un generador sincrónico ... 17
3.1.6. Potencia y par en los generadores sincrónicos. ... 18
3.1.7. Bus Infinito. ... 19
3.1.8. Sincronización con el bus infinito. ... 21
3.1.9. Controlador PID ... 23
3.2 Procedimiento y Descripción de las Actividades Realizadas ... 28
3.2.1 Modificación de planos y armado del controlador. ... 28
3.2.2 Programación y Pruebas de la Unidad. ... 31
3.2.3 Sintonización del regulador de corriente ... 35
3.2.4 Pruebas de Control del Generador ... 37
3.2.5 Secuencia de Arranque. ... 39
3.2.6 Sincronización con el bus infinito ... 39
3.2.7 Problemas en las Pruebas. ... 41
CAPITULO IV ... 43
4.1 Resultados ... 44
CAPÍTULO V ... 46
5.1. Conclusiones ... 47
5.2. Recomendaciones ... 47
Í
NDICE
DE
FIGURAS
Figura 1: Ubicación de la empresa ... 10
Figura 2: Organigrama de la empresa ... 11
Figura 3: Principio de generador eléctrico. ... 13
Figura 4: Construcción de una maquina síncrona. ... 15
Figura 5: Diagrama de maquina asíncrona ... 15
Figura 6: Excitación para generación de voltaje. ... 17
Figura 7: Diagrama de potencia de un generador sincrónico. ... 19
Figura 8: Bus infinito. ... 20
Figura 9: Conexión en paralelo de un generador síncrono. ... 22
Figura 10: Diagrama de Bloque de un Control PID. ... 23
Figura 11: Control de tiempo de encendido en circuito recortador ... 25
Figura 12: Señal periódica ... 26
Figura 13: Estructura de un PLC ... 27
Figura 14: Tarjeta de Interface ... 28
Figura 15: Tarjeta de potencia ... 28
Figura 16: Módulos de PLC conectado a tarjetas de potencia y de interface ... 29
Figura 17: Mando de operador para el controlador (OCS) ... 31
Figura 18: Herramientas del entorno de programación. ... 31
Figura 19: Estación de pruebas ... 33
Figura 20: Circuito para la excitación de campo. ... 33
Figura 21: Bloque de PID del PLC. ... 35
Figura 22: Bloque de sintonización de PID ... 36
Figura 23: Motor Generador para pruebas. ... 37
Figura 24:Tacómetro para la medición de velocidad. ... 38
Figura 25: Válvula de diésel ... 38
Figura 26: Sistema de medición para sincronización ... 40
Figura 27: Gráfica de pruebas de sintonización del motor ... 41
Figura 28: Gráfica de velocidad del motor. ... 44
Figura 29: Gráfica de Corriente. ... 45
4
1.1INTRODUCCIÓN
En las zonas en donde no se dispone con un acceso al sistema de distribución eléctrica pública se requiere tener una fuente de energía para la operación de los equipos
eléctricos. Es por eso que se tiene generadores eléctricos que convierten energía mecánica en eléctrica. El generador eléctrico se encuentra acoplado a un motor de combustión ya sea de diésel o de gasolina y al momento de girar produce un voltaje a la salida del generador síncrono y se cuenta con una fuente de voltaje. Usando nuevos sistemas de control como los PLCs (Controladores Lógicos Programables) se ha logrado optimizar la operación estos generadores. Es posible regular aspectos
5
1.2 Antecedentes
General Electric Energy desarrolló un regulador para grupo electrógenoque se usa dentro de las plataformas petroleras. El sistema se encarga de la regulación de
velocidad ajustando la posición de la válvula de diésel de manera automática a través de un ancho de pulso modulado a 495 Hz. Un tacómetro se encarga de medir las revoluciones a las que gira el generador para realizar el lazo de control. El tacómetro genera una onda senoidal de 5V cuya frecuencia varía en función de las revoluciones a las que gira el motor. También se regula el voltaje del campo del generador síncrono por medio de un convertidor CD a CD usando IGBT. El IGBT cierra y abre la
alimentación de la batería de 12V por medio de una señal de pwm controlada hacia el campo, así proporcionando una corriente de excitación de hasta 8A al campo y por medio de un sensor de corriente se regula esa corriente de excitación. El controlador cuenta con diferentes protecciones por medio de programación con la cual apaga el sistema como lo es la pérdida del tacómetro, exceso de voltaje en el campo, sobre corriente, sobre velocidad y potencia inversa. Todas las protecciones cuentan con un tiempo de retraso hasta que se activa la falla y se apaga el sistema. Se ha ido
6
1.3 Justificación
7
1.4 Objetivo General
Desarrollar un nuevo regulador grupo electrógenoun PLC que pueda regular el campo, velocidad angular del motor y la sincronización del generador con el bus infinito de cualquier tipo de generador síncrono.
1.4.1 Objetivos Específicos
8
1.5 Alcances
Programar el PLC en diagrama escalera para que en conjunto con la tarjeta de interface y tarjeta de potencia logre controlar el motor generador síncrono.
1.6 Limitaciones
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2.1 Características Generales de la Empresa
La empresa está ubicada en la ciudad de Monterrey, Nuevo León, ahí se encuentran las oficinas generales de la empresa y el taller en donde se arma y se hacen pruebas con equipo diseñado.
La dirección de las oficinas y el taller es: Blvd. Díaz Ordaz #405
Col. Rincón de Santa María Monterrey, N.L. México como se ve en la figura 1 Página Web: http://www.amige.com
Figura 1: Ubicación de la empresa
2.1.1 Tipos de Servicios que se Prestan
En la empresa se realizan los siguientes servicios.
Desarrollo de proyectos de automatización Capacitación y asesorías técnicas
Servicios y mantenimientos a variadores de velocidad de motores eléctricos.
11 2.1.2 Estructura Organizacional
En la figura 2 se muestra el organigrama de la compañía.
Figura 2: Organigrama de la empresa
2.2 Caracterización del Área de Trabajo
El área de trabajo consta de unas oficinas en donde se planifican los proyectos. Ahí se encuentran los ingenieros dibujando los planos y el desarrollo del proyecto. A un lado de la oficina se tiene un taller en donde se arman los equipos. Dentro del taller hay una zona de pruebas en donde se encuentra montado el controlador y junto el
motor-generador.
2.2.1 Función del Departamento Donde se Realiza la Residencia
Es en donde se desarrollan los proyectos del control de motores eléctricos. Se recibe la problemática del cliente y en base a lo que quiere se desarrolla el proyecto. También se cuenta con el soporte del equipo para dar servicios o la aclaración de dudas a
problemas técnicos que el equipo pueda llegar a tener. Octavio Rodriguez
Director General.
Bernardo Sainz. Jefe de departamento de
Drives.
Recursos Humanos
Daniel Suarez
Jefe de Proyectos.
Jorge Eduardo Haros Ingeniero de Proyectos.
Omar Arreola
Jefe de Proyectos.
Rosendo Cabral
Jefe de Servicios.
Elva Urdial Jefe de Propuestas.
13
3.1 Marco Teórico
3.1.1 Ley de Faraday e inducción magnética.
Si se mueve un conductor a una cierta velocidad v a través de un campo magnético de densidad B, se induce una fuerza electromotriz en el conductor; este es el principio del generador eléctrico mostrado en la figura 3. [1]
Figura 3: Principio de generador eléctrico.
Si en un conductor fijo colocado en el interior de un campo magnético se hace circular una corriente, el conductor experimenta una fuerza inducida. [1]
3.1.2. Generadores y motores.
Los generadores eléctricos utilizan energía mediante trabajo y la transfieren al exterior por medio de una transmisión eléctrica. Un motor de corriente alterna está constituido por una espira de alambre que gira en un campo magnético por algún medio externo.
14 magnético, el flujo magnético en el área encerrada por la espira, cambia en función del tiempo; esto de acuerdo a la ley de Faraday, induce una fuerza electromotriz así como una corriente en el conductor. Los extremos del conductor se conectan a unos anillos de deslizamiento que giran con ella. Las conexiones de estos anillos, que actúan como terminales de salida del generador, se realizan mediante escobillas estacionarias que están en contacto con ellas. [2]
3.1.1 Generadores síncronos.
Los generadores síncronos son la principal fuente de energía eléctrica en los sistemas de potencia y muchas cargas pesadas son accionadas por los motores síncronos. La máquina síncrona consta de dos devanados principales, el de campo y el de armadura. El devanado de campo es alimentado con una fuente de corriente directa para producir el campo magnético fijo que induce el voltaje de corriente alterna en el devanado de armadura, una vez que el campo o la armadura están en movimiento. Una maquina síncrona es una maquina doblemente excitada ya que el devanado de armadura se conecta a una fuente de alimentación de corriente alterna y el devanado de campo se conecta a una fuente de CD. [3]
3.1.2 Construcción física de una maquina síncrona.
El devanado de campo de una maquina síncrona requiere de una fuente de corriente directa para el crear el campo magnético controlado mediante la magnitud de la fuente, también este campo magnético puede provenir de un imán permanente con el
problema de que no se tiene un control independiente del campo. [1]
Estator. Este devanado es similar al de devanado de una máquina de inducción y se
15 Rotor. Es un devanado alimentado por una fuente de corriente directa para crear un
electroimán controlando la magnitud del campo por dicha fuente (Fig.2).
Figura 4: Construcción de una maquina síncrona.
3.1.3. Excitatriz sin escobillas de generador asíncrono
La excitatriz sin escobillas consiste de una carcasa del estator estacionario con un devanado de campo de polo saliente montado en una base, una armadura rotativa con devanado trifásico CA y un conjunto convertidor rotativo CA/CC. En la figura 5 se muestra un diagrama con el esquema. [4]
Figura 5: Diagrama de maquina asíncrona
El rectificador está formado de un puente rectificador trifásico de onda completa con un circuito de sobrecarga eléctrica conteniendo SCR1, SCR2 y un módulo de control que
Estator
16 contiene el circuito de disparo. El rectificador convierte la energía CA trifásica de la armadura para energía CD alimentada para el campo principal del generador.
Durante la operación asíncrona, los SCR del circuito de sobrecarga eléctrica “desvían” la corriente inducida del rotor, durante cada medio ciclo negativo después de que estos son activados por el módulo de control. La tensión de ruptura del circuito de disparo es superior a la tensión de pico de salida CD del puente de diodos, para evitar que SCR1 y SCR2 se activen por la tensión CD durante la operación asíncrona. [4]
3.1.4. Funcionamiento de un generador sincrónico
En un generador sincrónico se aplica una corriente CC al devanado del rotor, la cual produce un campo magnético. Entonces el rotor del generador gira mediante un motor primario y produce un campo magnético rotacional dentro de la máquina. Este campo magnético rotacional induce un grupo trifásico de voltajes en los devanados del estator del generador.
El devanado del campo es el devanado que produce el campo magnético principal en la máquina y el devanado de armadura es en donde se induce el voltaje principal. En las maquinas sincrónicas, los devanados del campo están sobre el rotor.
En generadores y motores grandes se utilizan excitatrices para suministrar la corriente de campo de corriente directa. Un excitador es un generador de corriente alterna pequeño cuyo circuito de campo está montado en el estator y su circuito de armadura está montado sobre el eje del rotor. La salida trifásica del generador excitador es
rectificada a corriente directa por un circuito rectificador trifásico montado también en el eje del generador y se incluye en el circuito principal de campo corriente directa.
17 Figura 6: Excitación para generación de voltaje.
3.1.5. Velocidad de rotación de un generador sincrónico
Los generadores sincrónicos son por definición sincrónicos, lo cual significa que la frecuencia eléctrica producida esta entrelazada o sincronizada con la tasa mecánica de rotación del generador. Un rotor de generador sincrónico consta de un electroimán al cual se suministra corriente directa. El campo magnético del rotor apunta en cualquier dirección según gire el rotor. La relación entre la tasa de giro de los campos
magnéticos de la máquina y la frecuencia eléctrica del estator se expresa mediante la siguiente ecuación. [3]
Donde;
18 Velocidad mecánica del campo magnético en revoluciones por minuto
Numero de polos
Puesto que rotor gira con la misma velocidad que el campo magnético, esta ecuación relaciona la velocidad de rotación del rotor con la frecuencia eléctrica resultante. Dado que potencia eléctrica generada es de 50 o 60 Hz, el generador debe girar a una velocidad fija que depende del número de polos de la máquina. [3]
3.1.6. Potencia y par en los generadores sincrónicos.
Para la generación de voltaje en un generador sincrónico se recurre a una conversión de energía mecánica en eléctrica. La fuente de potencia mecánica puede ser un motor diesel, una turbina de vapor, una turbina hidráulica o un equipo similar. Cualquiera que sea la fuente, debe cumplir la propiedad básica que de su velocidad sea casi constante, independiente de la demanda de potencia. Si esto no se cumple, la frecuencia
resultante del sistema de potencia podría presentar fallas.
19 Figura 7: Diagrama de potencia de un generador sincrónico.
3.1.7. Bus Infinito.
Los generadores sincrónicos se usan en muy raras ocasiones para alimentar cargas individuales. Ellos comúnmente se conectan a un sistema de potencia conocido como "Bus Infinito”.
El bus infinito es una idealización de un sistema de potencia, el cual es tan grande que en él no varían ni el voltaje ni la frecuencia, siendo inmaterial la magnitud de las
potencias activas o reactivas que se toman o suministran a él. Puede pensarse en el bus infinito como una supermáquina equivalente de dimensiones descomunales, que nada que se haga sobre él puede causarle mucho efecto.
20 Figura 8: Bus infinito.
La figura 8 muestra también como las cargas se conectan al bus infinito para obtener potencia.
La transmisión de potencia se hace normalmente con altos voltajes (cientos de KV), para reducir pérdidas. Sin embargo la generación se realiza a menores voltajes (20-30 KV). Se usan transformadores para cambiar los niveles de voltaje. Se usa uno para elevar el voltaje de generación hasta el bus infinito y las cargas reciben de él energía con un nivel de voltaje reducido por varias etapas de transformadores.
En las plantas generadoras, los generadores sincrónicos son conectados y
21 3.1.8. Sincronización con el bus infinito.
Un generador sincrónico deber reunir varias condiciones para que se pueda conectar a un bus infinito, y estas son las siguientes:
1- El mismo nivel de voltaje que el bus infinito 2- La misma frecuencia
3- La misma secuencia de fase 4- El mismo desfasamiento.
Para conecta un generador síncrono a un bus infinito se puede utilizar el método clásico de las lámparas, cuya conexión se muestra en la figura 9. Se conecta 3
22 El proceso de sincronización de un generador a la red en un sistema de potencia, se realiza de forma automática con una computadora que monitorea las señales enviadas y por los sensores instalados en la máquina. [1]
23 3.1.9. Controlador PID
Un controlador PID (Proporcional Integral Derivativo) es un sistema de control que, mediante un elemento final de control (actuador), es capaz de mantener una variable o proceso en un punto deseado. Es uno de los métodos de control más frecuentes y precisos dentro de la regulación automática como se muestra en la figura 10.
Figura 10: Diagrama de Bloque de un Control PID.
El control lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la señal que proporciona el sensor. Para hacer posible esta compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser entendida por un humano y el sistema de control por lo que habrá que establecer algún tipo de interfaz. [5]
El control resta la señal de punto actual a la señal de punto de consigna, obteniendo así la señal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor deseado y el valor medido. La señal de error es utilizada por cada una de las 3
24 no se aplica directamente sobre el actuador, sino que debe ser transformada para ser compatible con el actuador. [5]
1- Control Proporcional: Una ventaja de esta estrategia de control, es que sólo requiere del cálculo de un parámetro (ganancia Kc) y, además, genera una respuesta bastante instantánea. Sin embargo, el controlador proporcional posee una característica indeseable, que se conoce como error en estado estacionario. 2- Control Integral: Da una respuesta proporcional a la integral del error. Esta
acción elimina el offset, pero se obtiene una mayor desviación del set point, la respuesta es más lenta y el periodo de oscilación es mayor que en el caso de la acción proporcional.
3- Control Derivativo: Da una respuesta proporcional a la derivada del error (velocidad de cambio del error). Añadiendo esta acción de control a las anteriores, se elimina el exceso de oscilaciones. No elimina el offset. Se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos proporcional e integral).
3.1.10 Control de potencia de CC a CC: Recortador
A veces es deseable variar el voltaje disponible de una fuente de dc antes de aplicarlo a la carga, Los circuitos que permiten variar el voltaje de una fuente se llaman
25 Figura 11: Control de tiempo de encendido en circuito recortador
3.1.11. Control de Corriente.
La modulación por ancho de pulsos (PWM) es una técnica de modulación en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (Figura 12). El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación al período.
Expresado analíticamente:
Ciclo de trabajo, D
Tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso) ,
26 Figura 12: Señal periódica
Utilizando esta técnica para operar un transistor se puede controlar la corriente en una bobina. Manipulando la carga y descarga de la energía almacenada en el campo magnético de una bobina se regula la corriente que circula por ella. El sistema de control retroalimentado toma la salida de corriente a través de la bobina y controla la activación del transistor. Cuando la corriente sobrepasa el valor deseado, el transistor se apaga abriendo el circuito y desenergizando la carga. [8]
3.1.12. Controlador lógico programable.
El controlador lógico programable es un dispositivo que se encarga de controlar algún proceso definido a través de un programa.
El controlador lógico programable tiene una estructura como se ve en la figura 13. El usuario ingresa el programa a través del dispositivo adecuado (un cargador de programa o PC) y éste es almacenado en la memoria de la CPU.
27 Evidentemente, las interfaces de entrada y salida se encargan de adaptar las señales internas a niveles de la CPU. Por ejemplo, cuando la CPU ordena la activación de una salida, la interfaz adapta la señal y acciona un componente. [7]
28
3.2 Procedimiento y Descripción de las Actividades Realizadas
3.2.1 Modificación de planos y armado del controlador.
Al inicio de las actividades se modificó los planos que ya existían del controlador. Se habían hecho nuevos cambios a las tarjeta de interface y a la tarjeta de control para su funcionamiento y se tenían que incorporar esos cambias al nuevo cableado del
controlador. Se usó el software AutoCAD® para realizar los cambios necesarios. En estos diagramas se podían visualizar como estaba conectado el controlador lógico programable a la tarjeta de interface y de potencia como a los sensores y actuadores del generador (Figura 14 y 15).
Figura 14: Tarjeta de Interface
29 Tarjeta de Interface: La tarjeta de interface tiene los periféricos para conectar los
sensores provenientes del grupo electrógeno como lo es el tacómetro, los
transformadores de potencial o transformadores de corriente. También cuenta con salidas de relevadores auxiliares y entradas digitales.
Tarjeta de Potencia: La tarjeta es energizada con la potencia para poder excitar el
campo del motor. Esta fuente de alimentación puede ser de corriente alterna o de corriente directa. Cuenta con dos circuitos recortadores; uno para regular velocidad del motor y otro para regular la corriente de campo. El circuito recortador para la regulación de corriente de campo cuenta con un sensor para su debida regulación
Una vez ya modificado todos los diagramas del controlador se llevó acabo el armado del nuevo controlador ensamblando los múltiples módulos del PLC y las tarjetas de interface y de potencia como se ve en la figura 16.
Figura 16: Módulos de PLC conectado a tarjetas de potencia y de interface
Módulo de Expansión Fibra Óptica 2
Módulo Monitor de AC# 2
Módulo de Termorresistencias
Módulo de Expansión Fibra Óptica 2
Módulo de I/O Análogo-Digital Módulo Monitor
de AC #1
30
Los módulos del PLC se encargan de múltiples funciones en la operación del controlador.
Módulo Monitor de AC: Es un módulo que mide los voltajes de
transformadores de potencia y de transformadores de corriente. Cuenta con dos módulos; uno para medir el voltaje, la corriente y la fase del generador y el otro para medir el voltaje y la fase del bus infinito. Esto ayuda a sincronizar el generador con el bus infinito o cualquier otro generador
Módulo de cuentas rápidas: Se encarga de generar los dos PWM; uno para controlar la velocidad del motor y otro para controlar la corriente de excitación de campo. También puede medir la frecuencia de los pulsos de un tacómetro y calcular la velocidad a la que gira un motor. También se puede configurar sus canales como entradas y salidas digitales.
Módulo de I/O Análogo-Digital: Tiene ocho entradas y ocho salidas digitales de hasta 24Volts. También tiene cuatro canales entradas analógicas de ±10.28VDC con una resolución de 12 bits
Módulo de termo resistencias: Tiene cuatro canales para poder medir la
temperatura de 4 termorresistencias.
31 3.2.2 Programación y Pruebas de la Unidad.
Los diferentes módulos están conectados al PLC del regulador a través de fibra óptica. Este es nombrado estación de control de operación u “OCS” por sus siglas en inglés (Operation Control Station). La OCS cuenta con una pantalla de interface con botones que pueden ser programados y usados en la operación de regulador (Figura 17). También usando la pantalla es posible animar graficas de las mediciones de las principales variables del motor como lo es velocidad, voltaje y corriente. La OCS se programa en diagrama escalera como cualquier otro tipo de controlador lógico programable y se usa el programa de Cscape®. El programa cuenta con múltiples herramientas para la realización de una rutina de operación como se ve en la figura 18.
Figura 17: Mando de operador para el controlador (OCS)
32 La etapa de pruebas empezó con probar la lógica programada en del PLC. En las pruebas se usaba un controlador de GE de alta velocidad para hacer simulación de la lógica del regulador. El controlador tenía programado la respuesta que debía tener un grupo electrógeno e intercambiaba señales con el regulador a través de un protocolo de comunicación llamado EGD (Ethernet Global Data) usando el puerto Ethernet. Además de intercambiar los comandos de arranque y paro también se intercambiaba las señales de control y la realimentación para la velocidad y la corriente. Esto permitía ver un comportamiento dinámico y validar la lógica de operación del PLC del regulador.
Una vez que se probó el funcionamiento de la lógica del regulador. Se realizaron pruebas de las entradas y salidas de los módulos del PLC.
Entradas Digitales: Se forzaron las señales externas cerrando el circuito en la tarjeta de interface el programa del PLC que estas estuvieran activas y no tuvieran un falso contacto.
Salidas Digitales: Se revisó que el voltaje de alimentación estuviera bien conectada a la tarjeta y a los módulos de salidas de digitales. Se forzaron las salidas desde el programa y se midió que dieran los 24V.
Entrada de Frecuencia: Se usó un generador de funciones y se conectó a la entrada donde debe ir conectado un tacómetro. Se generó una onda senoidal con la intención de simular la señal de la velocidad que genera un tacómetro. La frecuencia se media en el PLC y se verificaba que coincidiera con la generada. Salida de PWM: En esta prueba se medía la frecuencia del PWM que debía
entrar al circuito de disparo usando un multímetro. También se variaba el ancho del PWM desde el PLC y se verificaba en un osciloscopio la variación.
33 Figura 19: Estación de pruebas
Figura 20: Circuito para la excitación de campo.
Alimentación Trifásica Alimentación de Directa
Diodos de Protección
Sensor de Corriente
34 El sistema de excitación es diseñado para obtener la potencia de dos tipos de
alimentación:
1. Fuente de potencia de corriente continua: En esta forma se usa una fuente de corriente continua para proporcionar la corriente necesaria de excitación. Esta fuente puede ser una batería de 12 Volts de corriente directa capaz de proporcionar la corriente requerida por el campo del generador.
2. Fuente de potencia de corriente alterna. Con la ayuda de un puente de diodos trifásico se rectifica la corriente alterna y se usa en el circuito de excitación de campo. Se puede alimentar hasta con 240 Volts de corriente alterna.
Una vez alimentado el circuito se procede a excitar campo a través de un PMW de 18 Volts. El PLC ajusta el PWM a través de una de las salidas del módulo de cuentas rápidas. El pulso entra a un circuito de aislamiento y posteriormente entra a la
compuerta del IGBT. Cuando se excita la compuerta del IGBT, este cierra el circuito de excitación de campo y permite que fluya corriente a través de los devanados de campo del motor. Conforme se aumenta o se disminuya el ciclo de trabajo del PWM es como se lograra controlar la corriente de excitación.
La tarjeta de potencia tiene un sensor de corriente y de voltaje para enviar a
35 3.2.3 Sintonización del regulador de corriente
El PLC cuenta con un bloque de PID (Figura 21) que se encargar de regular el ancho de pulso para de la corriente. En el bloque se definen tres registros que requiere el bloque de control.
Figura 21: Bloque de PID del PLC.
Los registros que maneja el regulador del PLC son los siguientes:
Referencia: es el valor que se desea que alcance el regulador
Retroalimentación: Es la medición de la variable escalada que entra al
regulador para calcular el error y ajustar la señal de control.
Señal de Control: Es el ancho de pulso que calcula el regulador en
función de la referencia y la retroalimentación y que entra a la planta.
Durante las pruebas para que el controlador pueda alcanzar la señal de referencia es necesario que se sintonice modificando las ganancias de sus componentes
proporcionales, integrales y derivativas. El bloque cuenta con su sección de Referencia
Señal de control
36 sintonización (Figura 22) en el cual permite modificar los valores mientras el equipo se encuentra operando.
Figura 22: Bloque de sintonización de PID
Los principales elementos que se editan en el bloque de sintonización:
Comandos Manuales: Se controla el ancho de pulso con comandos manuales.
Ganancia Proporcional: Es la ganancia que se da al error para generar la variable de
control.
Ganancia Integral: Es la ganancia que multiplica la integral del error.
Ganancia Derivativa: Es la ganancia que multiplica la derivada del error.
Banda Muerta: Es el rango de valores entre los cuales no se realiza ninguna acción
correctiva por el regulador.
Para las pruebas se buscó regular que el regulador controlara una corriente de 20A usando un banco de resistencias. Esto se debe a que el campo del motor es para 1.6 y se busca que la máxima corriente que se pueda regular pueda ser de 20A. Las
ganancias del regulador se obtienen a prueba y a error viendo la respuesta en los graficadores del PLC.
Comandos Manuales
Ganancia Proporcional
Ganancia Integral Ganancia Derivativa
37 3.2.4 Pruebas de Control del Generador
Todas estas pruebas se realizaron en un generador diésel de 4 polos 480VAC a 60Amp el cual se ve en la figura 23. Se enciende el motor remotamente cerrando un contacto de arranque que tiene el generador. Esto que hace que la marcha mueva mecánicamente el motor de combustión. Después de pasar 5 segundos se enciende el PWM que entra a la válvula (Figura 22) y permite el ingreso de diésel a la cámara de combustión. Mientras se aumenta el ciclo de trabajo del pulso; más diésel ingresa a la cámara de combustión ya que la válvula permanece abierta por más tiempo. El
generador tiene incorporado un tacómetro (Figura 21) el cual genera una serie de pulsos. La frecuencia de estos pulsos va en función de las revoluciones por minuto a las que gira el motor. Estas se pueden calcular con la fórmula:
Donde F es la frecuencia de los pulsos y P son los pulsos por revolución que da el motor al dar una vuelta completa. Estos pulsos son acondicionados para luego ser introducidos en el módulo de cuentas rápidas del PLC. Este se encarga de medir su frecuencia y con ellos se calculas las RPM que entran al regulador de velocidad. Para propósito de pruebas y sincronización se quiere que el motor gire a 1800 RPM ya que al ser un generador de 4 polos es necesario que gire a esa velocidad para generar un voltaje de corriente alterna a 60 Hz.
38 Figura 24: Tacómetro para la medición de velocidad.
Figura 25: Válvula de diésel
Se realizan pruebas usando la opción de comandos manuales del regulador PID del PLC. Esto con el propósito de probar la secuencia de arranque del motor de
combustión.
Al igual que el regulador de corriente se requirió sintonizar a prueba y error el regulador de velocidad usando únicamente la ganancia proporcional y la ganancia integral. La ganancia derivativa causaba que se descontrolara el motor cuando se manipulaba. Se
Tacómetro
39 arrancaba el motor de diésel y se variaba la referencia para que la respuesta fuera lo más rápido posible sin que se perdiera el control.
3.2.5 Secuencia de Arranque.
Una vez que se tienen probados los periféricos y los reguladores de los PID de
corriente y de velocidad se procedieron a probar la programación del PLC se prueba la secuencia de arranque del generador.
Las formas en las que se puede arrancar el generador son las siguientes:
Alimentación independiente: Se usa una fuente de alimentación separada; esta
pueda ser de corriente directa o de corriente alterna trifásica. Se arranca el motor y una vez que se desea
Imán Permanente: El generador tiene acoplado un imán en su eje el cual gira
alrededor de un devanado auxiliar. Este giro induce un voltaje trifásico que se usa para alimentar la tarjeta de potencia y con esto se puede excitar el campo del motor
Fuente auxiliar: Para este arranque se requiere alimentarla tarjeta de potencia con
una batería durante el arranque. Una vez que el voltaje del generador llega a su valor nominal de 460VAC se hace pasar el voltaje por un transformador para ser reducido a 230VAC. El voltaje generado se pone en paralelo con el voltaje de la batería cerrando un contacto trifásico. Después se aísla el voltaje de la batería abriendo otro contacto, de esta forma el generador es autosustentable.
3.2.6 Sincronización con el bus infinito
Una vez que el generador ha sido arrancado se requiere sincronizar con el bus infinito. Para esto es necesario medir el voltaje tanto del generador como la del bus. Esto se realiza por medio de unos transformadores. Uno colocado entre las líneas del
40 unos módulos cuyo voltaje de entrada no puede ser mayor 120Vac por eso se reduce el voltaje con los transformadores. Estos módulos miden el voltaje, la frecuencia y el ángulo de la fase del voltaje. Es necesario que se cuente con una frecuencia de 60 Hz en el voltaje generador, la misma secuencia de fases y una magnitud de voltaje
ligeramente mayor en el generador que en el bus para no correr riesgo de motorizar el generador. El instante en el que la diferencia entre la fase del generador y la fase del bus se iguala a 0 es cuando los voltajes se encuentran en fase y se cierra el interruptor automáticamente entre el bus y el generador. Si el generador no mantenía una
frecuencia igual a la del bus y cierra en instante en que los voltajes no se encuentran en fase se realiza un corto, en caso de no tener ninguna protección se corre el riesgo de dañar el generador.
Figura 26: Sistema de medición para sincronización
Transformadores para medición de voltaje
41 3.2.7 Problemas en las Pruebas.
Durante las pruebas se tuvieron problemas con el acondicionamiento de señal del tacómetro el cual generaba una senoidal de 5 volts. Esa onda pasa por un
acondicionamiento dentro de la tarjeta de interface en donde se hace una onda
cuadrada. El módulo de cálculo de velocidad no recibía la señal de los pulsos. Después se cambió uno de los amplificadores operacionales que se encargan del
acondicionamiento de señal con esto por fin se pudo tener la medición de la velocidad. Cuando se hacía girar el motor y se intentaba regular la velocidad del primo motor de combustión tenía un problema de estabilidad. El regulador de PWM del actuador que controla la velocidad no se podía sintonizar fácilmente. Cada vez que se arrancaba el motor intentaba regular la velocidad pero la velocidad del motor oscilaba y no lograba estabilizarse en un punto como se ve en la figura 25. La línea azul representa la velocidad del generador y la roja representa el ciclo de trabajo que mantiene el pulso. Para la sintonización del equipo se realizó de una forma experimental dado la
complejidad de representar el modelo dinámico de la planta. El método para sintonizarlo consistía en aumentar la ganancia proporcional hasta que la velocidad oscilara estable. Posteriormente se incrementaba la ganancia integral hasta estabilizar la velocidad del motor en la referencia programada. Se intentaba usar el método de sintonización de Ziegler-Nichols o el auto sintonizador del PLC pero nunca se pudo obtener el valor deseado.
42 En una de las pruebas en donde se estaba probando el campo y la regulación de
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4.1 Resultados
Para la regulación de velocidad de se pudo manipular las variables de controlador PI en donde se pudo estabilizar el motor a 1800 rpm aproximadamente como se ve en la figura 25 en donde la línea azul representa la variable del proceso y la línea rojo el punto de referencia a llegar.
Figura 28: Gráfica de velocidad del motor.
45 Figura 29: Gráfica de Corriente.
Para la sincronización con el bus infinito no se pudo hacer que el desfasamiento entre la fase del generador y el bus se mantuviera constante mediante la regulación de la velocidad del generador ya que el regulador de velocidad no estaba bien sintonizado. En la figura 27 se muestra el cambio de las fases del generador y en bus infinito. La línea roja representa el cambio de la fase del bus infinito de -180 grados a 180 grados; mientras en la línea verde se representa la fase del generador.
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5.1. Conclusiones
El proyecto solo se pudo concluir en lo que fueron la realización de un regulador que controle la corriente hasta 20 Amperes y el regulador de velocidad que pueda controlar las 1800 rpm. La sincronización no se pudo alcanzar finalmente ya que el regulador de velocidad tenía una variación que se veía reflejada en la frecuencia; no podía
mantenerse constante. También la frecuencia del bus infinito no es exactamente 60 HZ y siempre tiene una variación mínima que El equipo tuvo que ser enviado para pruebas de certificación y no se pudo concretar los objetivos planteados. La intención de las pruebas de certificación es que el equipo cumpla con las normas de seguridad UL (Underwritters Laboratories). Las pruebas que se requieren hacer para la certificación del equipo consisten son:
1- Operación de 50/60 HZ 2- Flamabilidad ante un corto
3- Operación bajo temperaturas de 100 grados centigrados 4- Operación de excitación de corrientes especificadas
Dado el equipo está destinado a ser usado principalmente en plataformas petroleras en Estados Unidos se requiere que cumpla con las normatividades establecidos en ese país.
5.2. Recomendaciones
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BIBLIOGRAFÍA
[1]. Pedro Ponce Cruz, Javier Sampe López, Máquinas Eléctricas y técnicas modernas de control (1a. Edición), Editorial Alfaomega, México 2008.
[2]. Raymond A. Serway, John W, Jewett Jr, Electricidad y Magnetismo. (6ta. Edición), Editorial Thomson) México, 2005.
[3]. Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas. (3ra Edición), Editorial Mc Graw Hill, Argentina 2003
[4]. Información Técnica de Maquinas Asíncronas de GE.
[5].W. Bolton, Ingeniería de Control. (2da Edición), Editorial Alfaomega, México 2006 [6] Sincronización con el bus infinito,
http://www.mty.itesm.mx/dcic/deptos/ie/profesores/hnunez/cursos/me/MaterialApoyo/M aqElec4/home.htm
[7] Controlador lógico Programable (PLC),
http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/industrial/sistemasinteligentes/UT3/plc/PLC.html
[8].Fernando Giasi. “DISEÑO DE FUENTE DE FRENO: CONTROL DE CORRIENTE”.
