- 1. ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA UNIDAD ACADEMICA COCHABAMBA
CARRERA ING. EN SISTEMAS ELECTRONICOS TRABAJO DE GRADO DISEO DE UN
SISTEMA DE MONITOREO DE VARIABLES ELECTRICAS DE VOLTAJE Y CORRIENTE
PARA DETERMINAR EL FACTOR DE POTENCIA REGISTRANDO LA INFORMACIN DE
CONSUMOS Y VERIFICANDO EL BALANCE DE FASES DE CADA UNA DE LAS
MAQUINARIAS DE INYECCIN Y SOPLADO DE LA EMPRESA LUJAN. YOSIF
FERNANDO CASTRO MAYAN COCHABAMBA, 2011
2. ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA UNIDAD ACADEMICA COCHABAMBA
INGENIERIA EN SISTEMAS ELECTRONICOS TRABAJO DE GRADO DISEO DE UN
SISTEMA DE MONITOREO DE VARIABLES ELECTRICAS DE VOLTAJE Y CORRIENTE
PARA DETERMINAR EL FACTOR DE POTENCIA REGISTRANDO LA INFORMACIN DE
CONSUMOS Y VERIFICANDO EL BALANCE DE FASES DE CADA UNA DE LAS
MAQUINARIAS DE INYECCIN Y SOPLADO DE LA EMPRESA LUJAN. YOSIF
FERNANDO CASTRO MAYAN TRABAJO DE GRADO PRESENTADO COMO REQUISITO
PARCIAL PARA OPTAR AL TTULO DE LICENCIATURA EN INGENIERA EN
SISTEMAS ELECTRNICOS. TUTOR: ING. MSC. RAL BALDERRAMA COCA
COCHABAMBA, 2011 3. DEDICATORIA: A mi Pap (Jorge), mi amigo,
acompaante y consejero cuyo constante sacrificio y apoyo me
ayudaron a superarme y llegar al punto en el que me encuentro. A mi
Mam (Ana), quien representa el amor, la abnegacin, la comprensin,
la dedicacin y entrega que inspiran e impulsan el seguir adelante y
pasar por alto los momentos ms difciles A mi hermano (Eiber) por
los consejos apoyo y solidaridad. A todos aquellos que pusieron su
confianza en m. 4. AGRADECIMIENTOS A Dios por darme la vida, salud
y fuerza para afrontar las adversidades y dificultades. A mi casa
de estudios superiores EMI, por acogerme en su seno durante el
tiempo de preparacin para forjarme como ingeniero. A mis queridos
padres por su cario, apoyo y confianza permanente. A mi hermano por
sus inagotables ganas de colaboracin. A Claudia por brindarme
palabras de aliento y ayuda. A mi tutor (Ing. Ral Balderrama), por
su paciencia, confianza, tiempo y pertinente orientacin para el
desarrollo del presente trabajo. A mis revisores (Ing. Jos Tancara)
e (Ing. Eduardo Herrera) por su colaboracin y gua. Al docente de
taller de grado (Ing. Federico Andia), por sus tiles consejos y
ayuda incondicional. A todos mis compaeros de curso por la
camaradera, la fraternidad y sana complicidad durante nuestro
tiempo de estudio. Finalmente a todas las personas que
contribuyeron de una u otra forma en la 5. elaboracin de este
documento. 6. RESUMEN EJECUTIVO El presente proyecto tiene por
objeto disear un sistema de monitoreo basado en microcontroladores,
est constituido por cuatro partes fundamentales que son:
acondicionamiento de seales, procesamiento digital de seales,
comunicacin serial, y el software de monitoreo. El sistema es capaz
de medir variables de voltaje y corriente en maquinarias trifsicas
y a partir de estos datos obtenidos determinar el factor de
potencia, potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente y
la energa que se consume en las maquinarias y determinar si existe
balance de fases en las lneas trifsicas. El sistema se encarga de
enviar mediante una red de comunicacin serial en topologa, tipo
bus, todos los datos hacia un microcontrolador maestro, que tiene
la capacidad de: visualizar las variables mencionadas; desplegar
alarmas en caso de mal funcionamiento de una maquina; enviar hacia
un computador los datos para que se monitoreen y almacenen en una
base de datos. El proyecto entonces se constituye en una
herramienta para registrar variables elctricas, capaz de advertir
al personal de mantenimiento de la empresa sobre el correcto o mal
funcionamiento de la maquina, que permita la verificacin del
correcto funcionamiento de todas las maquinarias elctricas
observadas, dentro el margen permitido, caso contrario el sistema
emite alarmas que informe al personal para que este pueda
reaccionar de forma inmediata. Con esto se logra prevenir cualquier
malfuncionamiento de las mismas y evitar prdidas econmicas.
Palabras Clave: Sistema, monitoreo, variable elctrica, corriente,
voltaje, factor de potencia, potencia activa, potencia reactiva,
potencia aparente, base datos y alarma. 7. NDICE CONTENIDO Pg. 1.
GENERALIDADES. 1.1. INTRODUCCIN.
........................................................................................
1 1.2. ANTECEDENTES.
.......................................................................................
2 1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
......................................................... 3 1.3.1.
Identificacin del
problema...........................................................................
3 1.3.2. Formulacin del problema.
...........................................................................
3 1.4.
OBJETIVOS.................................................................................................
3 1.4.1. Objetivo general.
..........................................................................................
3 1.4.2. Objetivos especficos.
..................................................................................
4 1.4.3. Objetivos especficos y
acciones..................................................................
4 1.5. JUSTIFICACIN.
.........................................................................................
7 1.5.1. Justificacin tcnica.
....................................................................................
7 1.5.2. Justificacin econmica.
..............................................................................
7 1.5.3. Justificacin
social........................................................................................
7 1.6. ALCANCES
.................................................................................................
7 1.6.1. Alcance temtico.
.........................................................................................
8 1.6.2. Alcance geogrfico.
......................................................................................
8 1.6.3. Alcance
temporal..........................................................................................
8 2. MARCO TERICO 2.1. CONTENIDO TEMTICO.
...........................................................................
9 2.2. DESARROLLO DEL MARCO TERICO
.................................................. 12 2.2.1. Redes
elctricas
trifsicas..........................................................................
12 2.2.1.1. Tipos de conexin en sistemas trifsicos.
.................................................. 13 2.2.1.2.
Anlisis de circuitos
....................................................................................
14 2.2.1.3. Tensiones en sistemas perfectos.
.............................................................. 18
2.2.1.4. Conexin estrella equilibrada.
....................................................................
19 2.2.1.5. Conexin en tringulo equilibrado
.............................................................. 22
2.2.1.6. Conexin estrella desequilibrada con
neutro.............................................. 25 2.2.1.7.
Conexin estrella desequilibrada sin
neutro............................................... 27 i 8. ii
2.2.2. Maquinarias de inyeccin y
soplado...........................................................
29 2.2.2.1. Maquinarias de inyeccin.
..........................................................................
29 2.2.2.2. Maquinarias de soplado.
............................................................................
31 2.2.3. Balance de fases en maquinarias.
............................................................. 32
2.2.3.1. Causas de desbalance de fases.
............................................................... 33
2.2.4. Circuitos y dispositivos de medicin de parmetros elctricos
de corriente y voltaje.
........................................................................................................
34 2.2.4.1. Transformadores de corriente (CT).
........................................................... 34
2.2.4.2. Transformadores de
voltaje........................................................................
35 2.2.4.3. Resistencia de Shunt.
................................................................................
37 2.2.4.4. Circuitos de acondicionamiento de seal para medicin de
corriente y voltaje
.........................................................................................................
39 2.2.4.5. Determinacin del condensador en un rectificador de onda
completa. ...... 52 2.2.5. Factor de
potencia......................................................................................
58 2.2.5.1. Potencia activa
...........................................................................................
59 2.2.5.2. Potencia reactiva.
.......................................................................................
59 2.2.5.3. Potencia aparente.
.....................................................................................
59 2.2.5.4. Potencia en circuitos trifasicos.
..................................................................
60 2.2.6. Filtros electrnicos y circuitos de proteccin para el
sistema. .................... 63 2.2.6.1. Filtros electrnicos.
....................................................................................
63 2.2.6.2. Clasificacin
...............................................................................................
63 2.2.6.3. Diseo de filtros
pasivos.............................................................................
65 2.2.7. Microcontroladores.
....................................................................................
73 2.2.7.1. Arquitectura.
...............................................................................................
74 2.2.7.2. Clasificacin de microcontroladores.
.......................................................... 74
2.2.7.3. MSSP (Master synchronous serial port).
.................................................... 78 2.2.7.4.
Modulo de comunicacin SPI.
....................................................................
79 2.2.7.5. Modulo MSSP trabajando en modo I2C.
.................................................... 79 2.2.7.6.
Modulo de conversin Anlogo Digital A/D.
........................................... 80 2.2.8. Comunicacin
serial.
..................................................................................
81 2.2.8.1. Estndar RS-232.
......................................................................................
81 2.2.8.2. Transferencia de datos con RS-232.
.......................................................... 83 9.
iii 2.2.8.3. Estndar RS-485.
.......................................................................................
84 2.2.9. Topologas de comunicacin de
red........................................................... 85
2.2.9.1. Topologa de
bus........................................................................................
86 2.2.9.2. Topologa de anillo.
....................................................................................
86 2.2.9.3. Topologa de estrella.
.................................................................................
87 2.2.9.4. Topologa en malla.
....................................................................................
87 2.2.10. Software para el desarrollo del sistema de
monitoreo................................ 88 2.2.10.1. Visual
Basic................................................................................................
88 2.2.10.2. Microsoft Access.
.......................................................................................
88 2.2.10.3. C# (C SHARP)
...........................................................................................
89 3. MARCO PRCTICO. 3.1. ANALISIS DE LA RED ELCTRICA TRIFASICA DE
LA EMPRESA. ..... 91 3.1.1. Parmetros
elctricos.................................................................................
92 3.1.1.1. Tensin de alimentacin.
...........................................................................
92 3.1.1.2. Equipo de
transformacin...........................................................................
92 3.1.1.3. Equipo de medicin.
...................................................................................
92 3.1.2. Plano de distribucin de la empresa.
......................................................... 92 3.1.3.
Potencia del transformador.
.......................................................................
93 3.2. DISEO DEL MODULO DE ADQUISICIN DE VARIABLES ELCTRICAS DE
CORRIENTES Y
VOLTAJES...............................................................
98 3.2.1. Acondicionamiento de seales de corriente.
.............................................. 99 3.2.2.
Acondicionamiento de seales de voltaje.
............................................... 112 3.2.3. Circuito
de deteccin por cruces por cero de voltaje y corriente.
............. 116 3.2.4. Determinacin del ngulo de desfase entre
seales de voltaje y corriente.
.................................................................................................................
118 3.2.5. Determinacin del ngulo de desfase entre seales de
voltaje y voltaje. 120 3.2.6. Diseo de la fuente de alimentacin de
voltaje para los instrumentos de medicin, procesamiento de seales y
transmisin. ................................ 122 3.3. DISEO DEL
MDULO DE PROCESAMIENTO DE SEALES ELCTRICAS.
.........................................................................................
128 3.4. DISEO DEL MODULO DE COMUNICACIN SERIAL PC-UC.............
133 10. iv 3.5. DISEO DE LA TOPOLOGA PARA LA RED DE COMUNICACIN
SERIAL.
...................................................................................................
135 3.6. DESARROLLO DEL SOFTWARE DEL SISTEMA DE MONITOREO..... 136
3.7. PRUEBA Y CALIBRACIN DEL SISTEMA.
........................................... 139 3.7.1. Calibracin
de la etapa de amplificacin del acondicionamiento de seal de
corriente.
..................................................................................................
139 3.7.2. Pruebas de la deteccin por cruce de cero y multiplexor y
compuerta XOR.
.................................................................................................................
140 3.7.3. Conversin anloga digital de seal pulsante de los
acondicionamientos de voltaje y corriente.
....................................................................................
141 3.8. MANUAL DEL SISTEMA.
........................................................................
142 3.8.1. Instalacin y
montaje................................................................................
142 3.8.2. Modo de
utilizacin...................................................................................
144 4. COSTOS. 4.1. COSTOS
DIRECTOS...............................................................................
154 4.1.1. Anlisis del modulo de acondicionamiento de seales
elctricas. ........... 154 4.1.2. Anlisis del mdulo de
procesamiento de seales................................... 155
4.1.3. Anlisis del mdulo de comunicaciones
................................................... 155 4.1.4.
Anlisis del mdulo de alimentacin
........................................................ 156 4.1.5.
Costos del software de monitoreo.
........................................................... 156
4.2. COSTOS INDIRECTOS
...........................................................................
159 4.3. ANLISIS COSTO BENEFICIO.
............................................................. 160
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 5.1. CONCLUSIONES
....................................................................................
162 5.2. RECOMENDACIONES.
...........................................................................
163 BIBLIOGRAFIA.
.....................................................................................................
164 GLOSARIO
.............................................................................................................
165 11. v INDICE DE TABLAS CONTENIDO Pg. Tabla N 1: Objetivos
especficos y acciones del proyecto.
.......................................4 Tabla N 2: Contenido
temtico del
proyecto.............................................................9
Tabla N 3: Valores para un filtro de Butterworth de orden
superior........................73 Tabla N 4: Principales
caractersticas de la baja y gama enana.
..........................75 Tabla N 5: Caractersticas relevantes
de los modelos PIC16X8X de la gama media.
..............................................................................................................76
Tabla N 6: Caractersticas ms destacadas de los modelos PIC17CXXX de
la gama alta.
.............................................................................................78
Tabla N 7: Caractersticas del RS485 comparadas con RS232, RS422 and
RS423.
..............................................................................................................85
Tabla N 8: Parmetros elctricos empresa
Lujan...................................................92 Tabla N
9: Tablero
T1.............................................................................................94
Tabla N 10: Tablero
T2.............................................................................................95
Tabla N 11: Tablero principal.
..................................................................................95
Tabla N 12: Potencia instalada y demanda mxima en la empresa.
.......................95 Tabla N 13: Consumos mximos de
maquinarias de la empresa...........................100 Tabla N 14:
Relacin de proporcionalidad conversin de valores AC.
...................102 Tabla N 15: Acondicionamiento de seal
segunda etapa.......................................104 Tabla N 16:
Acondicionamiento de seal tercera etapa.
........................................107 Tabla N 17: Relacin
voltaje entrada/ salida rectificador de media onda.
..............110 Tabla N 18: Valores de entrada y salida del
sumador. ...........................................111 Tabla N 19:
Tabla del circuito combinacional de medicin de determinacin de seal
de desfase.
.........................................................................................119
Tabla N 20: Tabla de funciones del integrado 74153.
............................................119 Tabla N 21:
Consumos de los componentes del modulo acondicionamiento de seal.
..................................................................................................122
Tabla N 22: Valores tentativos de ganancia segn el error de la
resistencia. ........139 Tabla N 23: Disipacin de tiempo del
74ls153. ......................................................140
Tabla N 24: Disipacin de tiempo del 74hc86.
.......................................................141 12. vi
Tabla N 25: Modulo de acondicionamiento de seales de voltaje y
corriente. .......154 Tabla N 26: Costos mdulo de procesamiento de
seales. ...................................155 Tabla N 27: Lista de
materiales y componentes de la red de comunicaciones ......155
Tabla N 28: Costos del modulo de alimentacin.
...................................................156 Tabla N 29:
Coeficientes del COCOMO
.................................................................157
Tabla N 30: Puntos de fusin de programas
..........................................................158 Tabla
N 31: Costos directos del proyecto.
..............................................................159
Tabla N 32: Requisitos mnimos para la computadora de monitoreo.
....................160 Tabla N 33: Tabla de costos indirectos
..................................................................160
13. NDICE DE FIGURAS CONTENIDO Pg. Figura N 1: Red elctrica Fuente-
Carga.
............................................................12
Figura N 2: Conexin en delta o triangulo
...........................................................13
Figura N 3: Conexin en estrella.
........................................................................13
Figura N 4: Circuito bsico ley de Ohm.
..............................................................14
Figura N 5: Ley de corrientes de Kirchoff.
...........................................................15
Figura N 6: Ley de voltajes de Kirchoff
................................................................16
Figura N 7: Circuito divisor de voltaje.
.................................................................17
Figura N 8: Notacin fasorial.
..............................................................................18
Figura N 9: Sistema trifsico dominio en el
tiempo..............................................19 Figura N 10:
Conexin en estrella
equilibrada.......................................................20
Figura N 11: Diagrama fasorial conexin estrella equilibrada
...............................22 Figura N 12: Conexin en triangulo
equilibrado. ...................................................23
Figura N 13: Diagrama fasorial conexin triangulo equilibrada.
............................24 Figura N 14: Conexin estrella
desequilibrada con neutro. ...................................25
Figura N 15: Diagrama fasorial conexin estrella
desequilibrada..........................26 Figura N 16: Conexin en
estrella desequilibrada sin neutro.
...............................27 Figura N 17: Diagrama fasorial
conexin estrella desequilibrada sin neutro. ........28 Figura N 18:
Esquema general de una inyectora
..................................................29 Figura N 19:
Maquinaria de Soplado
.....................................................................31
Figura N 20: Sistemas fasoriales de red y componentes simtricas.
....................33 Figura N 21: Transformadores de corriente
(CT). .................................................34 Figura N
22: Transformadores de voltaje.
.............................................................35
Figura N 23: Resistencia de derivador de alta
corriente........................................37 Figura N 24:
Circuito de derivacin de
shunt.........................................................38
Figura N 25: Amplificador inversor.
.......................................................................39
Figura N 26: Amplificador en modo no inversor.
...................................................40 Figura N 27:
Amplificador sumador inversor.
.......................................................42 Figura N
28: Amplificador sumador no inversor.
...................................................43 Figura N 29:
Circuito bsico del rectificador de media onda.
................................44 vii 14. viii Figura N 30:
Rectificador de onda completa con amplificadores operacionales.
..46 Figura N 31: Rectificador de media onda con operacionales
(semiciclo positivo) .47 Figura N 32: Rectificador de media onda
con operacionales (semiciclo negativo) 48 Figura N 33: Sumador del
rectificador operacional de onda completa. .................49
Figura N 34: Seales de entrada, salida y punto A del rectificador
de onda completa.
..........................................................................................50
Figura N 35: Circuito comparador no inversor
.......................................................51 Figura N
36: Rectificador de onda completa con transformador de punto medio.
.52 Figura N 37: Rectificador con filtro capacitivo.
......................................................53 Figura N
38: Aproximacin de la recta de carga y descarga del
capacitor...........54 Figura N 39: Fuente de alimentacin regulada
.....................................................57 Figura N
40: Triangulo de
potencias......................................................................58
Figura N 41: Respuesta en frecuencia filtro pasabajo de primer
orden.................66 Figura N 42: Circuito filtro pasabajo
pasivo con condensador...............................67 Figura N
43: Circuito filtro pasabajo pasivo con Bobina.
.......................................68 Figura N 44: Respuesta en
frecuencia filtro pasabajo 2do orden. .........................71
Figura N 45: Circuito filtro pasivo pasabajo de segundo orden.
............................71 Figura N 46: Circuitos estndar para
filtros de orden superior. .............................72 Figura N
47: PIC de gama baja o enana.
..............................................................75
Figura N 48: Modulo MSSP para I2C.
...................................................................80
Figura N 49: Transmisin en RS-232.
...................................................................83
Figura N 50: Conexiones de red para rs-485.
.......................................................84 Figura N
51: Topologa de red tipo bus.
................................................................86
Figura N 52: Topologa tipo
anillo..........................................................................86
Figura N 53: Topologa tipo
estrella.......................................................................87
Figura N 54: Topologa tipo
malla..........................................................................87
Figura N 55: Diagrama general de bloques del proyecto.
.....................................91 Figura N 56: Plano planta
industrias Lujan.
...........................................................93
Figura N 57: Diagrama unifilar de red elctrica.
....................................................96 Figura N 58:
Disposicin de maquinarias.
.............................................................97
Figura N 59: Disposicin de cableductos.
.............................................................97 15.
ix Figura N 60: Diagrama de conexin de transformadores de corriente
y voltaje al modulo de acondicionamiento de seales de corriente y
voltaje. .....98 Figura N 61: Conexiones de la etapa de reduccin y
acondicionamiento de seal de corriente al microcontrolador.
......................................................99 Figura N
62: Seal de transformacin del CT de 50 5 Amperes AC.
...............102 Figura N 63: Resistencia de carga del
transformador de corriente (segunda etapa).
........................................................................................................103
Figura N 64: Seales de entrada y salida de la segunda etapa de
acondicionamiento 0-5 Amperes AC a 0 - 0,5V Voltios AC.
...........103 Figura N 65: Acondicionador de seal de 0- 0,5A AC
0-5V AC (tercera etapa).
........................................................................................................106
Figura N 66: Seales de entrada y salida de la tercera etapa de
acondicionamiento, amplificacin de la onda de 0- 0,5 Voltios AC a 0
- 0,5V Voltios AC.
........................................................................108
Figura N 67: Arreglo de amplificadores operacionales para
rectificacin de onda completa de seal (Cuarta
etapa)...................................................108 Figura
N 68: Onda a la salida del rectificador de media onda.
............................110 Figura N 69: Seal de entrada,
salida del rectificador y en el punto A. ...............111 Figura
N 70: Conexiones de la etapa de reduccin y acondicionamiento de
seal de voltaje al microcontrolador.
........................................................112 Figura
N 71: Seal de transformacin del transformador de
voltaje....................113 Figura N 72: Divisor de voltaje
(Segunda etapa).
................................................114 Figura N 73:
Conexin de segunda a tercera etapa.
...........................................115 Figura N 74:
Comparador por cruce de cero de corriente.
..................................116 Figura N 75: Comparador por
cruce de cero de voltaje.......................................116
Figura N 76: Detector por cruce de cero.
............................................................117
Figura N 77: Comparacin de seales de cruce por cero de corriente,
voltaje y determinacin del tiempo de desfase de seales.
..........................118 Figura N 78: Circuito combinacional
de medicin de determinacin de seal de desfase.
..........................................................................................120
Figura N 79: Desfase de seales en un sistema trifsico.
...................................121 Figura N 80: Fuente simtrica
de voltaje +12v, -12v y 5v....................................123
16. x Figura N 81: Aproximacin recta de carga y descarga del
capacitor filtro en la fuente de rectificacin.
....................................................................124
Figura N 82: Pulso de conduccin del diodo.
......................................................125 Figura N
83: Pulso de conduccin del diodo con menor
rizado...........................126 Figura N 84: Filtro de tercer
orden acoplado a la fuente de alimentacin. ..........127 Figura N
85: Conexionado de seales al microcontrolador pic.
..........................128 Figura N 86: Esquemtico de conexiones
de etapas de acondicionamiento de seal y cruce por cero al
microcontrolador. ....................................129 Figura N
87: Muestreo de las seales de corriente y voltaje.
..............................130 Figura N 88: Seal rectificada y
muestreada para el microcontrolador. ..............131 Figura N 89:
Flujograma para el procesamiento de seales de corriente y voltaje.
........................................................................................................131
Figura N 90: Diagrama de flujo de lectura de variables de ancho de
pulso de desfase de seales de corriente y voltaje.
......................................132 Figura N 91: Circuito de
transmisin serial 232.
..................................................133 Figura N 92:
Flujo grama del programa del microcontrolador
maestro................134 Figura N 93: Topologa red serial 485
tipo bus....................................................135
Figura N 94: Configuracin bsica del transceiver MAX 485.
.............................135 Figura N 95: Pantalla de interfaz
con el usuario.
.................................................136 Figura N 96:
Flujograma de clculo del factor de potencia, potencia activa,
potencia reactiva, de despliegue de voltajes, corrientes, y ngulos
de desfase en la
computadora.............................................................138
Figura N 97: Bornera de pines del sistema.
........................................................142 Figura
N 98: Conexionado de transformadores de voltaje para el sistema.
........143 Figura N 99: Conexionado de red de transceivers MAX-
485 resistencias de 120 en dispositivos ms alejados en la red.
..........................................143 Figura N 100:
Funcionamiento del
Maestro...........................................................144
Figura N 101: Men principal
maestro...................................................................145
Figura N 102: Pantalla de visualizacin de datos maestro.
...................................146 Figura N 103: Men de
seleccin cantidad mxima de esclavos en la red. ..........146 Figura
N 104: Men de alarmas.
...........................................................................147
Figura N 105: Alarmas en maquinas.
....................................................................148
17. xi Figura N 106: Men de ajustes de alarmas.
..........................................................149
Figura N 107: Ventana principal de interfaz de
usuario.........................................151 Figura N 108:
Ventana de monitoreo de variables elctricas del sistema.
............152 Figura N 109: Men de configuracin de alarmas.
................................................153 18. 0
INGENIERIA DE SISTEMAS ELECTRONICOS CAPITULO I GENERALIDADES Todo
lo que puede ser imaginado es real. (Pablo Picasso) 19. 1 - 165
1.1. INTRODUCCIN. En un mbito industrial donde se debe estar
consciente de los constantes requerimientos en procesos para
mejorar los sistemas de produccin en su eficacia y eficiencia,
debemos contar con la mayor cantidad de herramientas que permitan
tal cometido como es el caso de los sistemas de monitoreo, sistemas
de control, sistemas de adquisicin de datos y los protocolos de
comunicacin para centralizar dichos datos. Los sistemas de
monitoreo son muy importantes debido a que estos verifican el
estado actual de procesos, y permiten el despliegue de datos en
tiempo real y alarmas, los mismos ya se utilizaron en una gran
cantidad de campos como la industrias alimenticias, industrias de
transporte de energa elctrica, de explotacin de petrleo, de
exploracin minera, redes de telecomunicaciones, hospitales,
seguridad domiciliaria, etc. La empresa Industrias Lujan se dedica
a producir envases de plstico para diferentes lneas como jugos y
bebidas, farmacia, qumicos, condimentos, tambin la fabrica se
dedica a la produccin de tapas y tapones. La empresa actualmente
cuenta con varias maquinarias sobre las cuales no es sencillo
determinar los parmetros elctricos de consumo constantemente porque
esto implica que un trabajador este tomando datos continuamente
sobre todas las maquinarias, este es un trabajo arduo para
cualquier persona, es aqu donde los sistemas de monitoreo juegan un
papel muy importante, adquiriendo y procesando los parmetros
elctricos, desplegando alarmas e indicando cuando es necesario
realizar alguna revisin sobre cualquier maquinaria que as lo
requiera, adems tambin monitoreando el factor de potencia que es
consumida en la empresa evitando as multas por parte de ELFEC,
indicando el nmero de horas trabajadas de las maquinarias y tambin
almacenando datos para hacer un seguimiento sobre el funcionamiento
de las maquinarias y poder hacer un informe para tener mejor
planteados los consumos y poder brindar a la empresa una
herramienta para manejar de mejor manera sus recursos. 20. 2 - 165
1.2. ANTECEDENTES. El ser humano siempre ha buscado la creacin de
herramientas que le faciliten la realizacin de tareas pesadas y
repetitivas. Es por ese motivo que se incursa dentro del tema de
los sistemas de monitoreo. Los sistemas de monitoreo aparecieron
junto con los sistemas de control y automatizacin a comienzos de
1951 con la conferencia "Automatic Control" (Control Automtico) en
Inglaterra que fue la primera gran conferencia internacional en
control automtico. El Grupo Empresarial Lujan es una sociedad
compuesta por empresas destinadas a brindar servicios y productos
en el rubro de los plsticos para la industria en general,
constituidos el 6 de junio de 1991 mediante testimonio numero
382/91. Las empresas del Grupo Lujan, actualmente cuentan con
obreros, tcnicos, administrativos e ingenieros identificados con la
empresa, que con su labor cotidiana ofrecen a los clientes una
variedad de productos plsticos para la industria. Por lo tanto,
cada empresa que pertenece al Grupo Lujan est especializada en una
rama de produccin, as la divisin interna es capaz de producir
cualquier pedido que el cliente necesite o requiera en insumos
plsticos y matricera. El grupo Lujan cuenta con las certificaciones
ISO 9001:2008 y ISO 14001:2004. La empresa Industrias Lujan, con su
planta de produccin, ubicada en la zona de Chajnacollo de la
provincia de Quillacollo en la ciudad de Cochabamba, tiene en la
actualidad los implementos necesarios para elaborar productos
plsticos industriales variados en soplado e inyectado. 21. 3 - 165
1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.3.1. Identificacin del problema.
Actualmente en la empresa Lujan no se monitorean con frecuencia los
consumos de corrientes y voltajes en las maquinarias de inyeccin y
soplado, es entonces cuando se producen consumos desbalanceados que
provocan que el factor de potencia en la empresa baje del 0.85 y
por consiguiente esto provoca multas por parte de ELFEC, por otra
parte la empresa no cuenta con una herramienta que permita que
registrar la informacin de consumos y determinar si las fases de
las maquinarias estn trabajando de una manera balanceada o en
sincronismo, Por lo tanto la toma de decisiones para realizar
chequeos o mantenimientos en las maquinarias de la empresa es
dificultoso. 1.3.2. Formulacin del problema. Diseando un sistema de
monitoreo de variables elctricas de voltaje y corriente, se podr
contar con una herramienta que permita advertir al personal de la
fabrica del estado actual del factor de potencia, registrando la
informacin de consumos y verificando el balance de fases en cada
una de las maquinarias de inyeccin y soplado de la empresa Lujan?
1.4. OBJETIVOS 1.4.1. Objetivo general. Disear un sistema de
monitoreo de variables elctricas de corriente y voltaje para
determinar el factor de potencia registrando la informacin de
consumos y verificando el balance de fase de cada una de las
maquinarias de inyeccin y soplado de la empresa Lujan. 22. 4 - 165
1.4.2. Objetivos especficos. Investigar las caractersticas de las
redes elctricas trifsicas de la empresa. Investigar las
caractersticas de cada una de las maquinarias de inyeccin y soplado
de la empresa. Analizar y determinar circuitos de proteccin y
filtros para el sistema de monitoreo. Disear circuitos
convertidores para la medicin de voltaje y corriente. Disear
circuitos para la determinacin del factor de potencia. Disear un
sistema microprocesado para el monitoreo de variables elctricas de
corriente y voltaje. Disear la topologa para la comunicacin PC-uC.
Desarrollo del software de monitoreo. Probar y calibrar el sistema.
Desarrollar un manual de funcionamiento del sistema. 1.4.3.
Objetivos especficos y acciones. Tabla N 1: Objetivos especficos y
acciones del proyecto. Objetivos especficos Acciones Investigar las
caractersticas de las redes elctricas trifsicas de la empresa.
Estudio de las redes elctricas alta y media potencia de la empresa.
Investigar las caractersticas de las maquinarias de inyeccin y
soplado de la empresa. Estudio de consumos de las maquinarias en la
empresa. Determinacin de la cantidad de produccin de cada
maquinaria. Investigar la cantidad de horas que trabaja cada
maquinaria. 23. 5 - 165 Analizar y determinar circuitos de
proteccin y filtros para el sistema de monitoreo. Estudio de las
caractersticas de filtros en mercado. Estudio de circuitos de
proteccin. Disear circuitos convertidores para la medicin de
voltaje, corriente. Estudio de herramientas de medicin de parmetros
elctricos. Estudio de las de CTs toroidales en mercado.
Investigacin de mdulos de conversin de corriente y voltaje. Estudio
de los requerimientos y componentes que se adecuen mejor para la
toma de datos. Disear circuitos para la determinacin del factor de
potencia. Investigacin de los circuitos de deteccin por cruce de
cero. Disear un sistema microprocesado para el monitoreo y
recoleccin de corriente. Investigacin y determinacin de los
componentes para desarrollar una red de comunicacin serial.
Anlisis, investigacin y determinacin de los componentes de
adquisicin de datos. Anlisis de microcontroladores. 24. 6 - 165
Disear la topologa para la comunicacin PC-uC. Investigacin y
estudio de las arquitecturas de comunicacin serial y los protocolos
para entablar la comunicacin entre maestros y esclavos. Desarrollo
del software de monitoreo. Realizacin una base de datos en la PC
con los datos adquiridos del sistema. Probar y ajustar el sistema.
Verificacin del comportamiento del sistema y ajuste de sus etapas
para su correcto funcionamiento. Verificacin del comportamiento de
los mdulos del equipo y calibracin de los mismos. Reunin de todos
los mdulos previamente probados. Desarrollar un manual de
funcionamiento del sistema. Descripcin del funcionamiento del
sistema. FUENTE: Elaboracin Propia. 25. 7 - 165 1.5. JUSTIFICACIN.
1.5.1. Justificacin tcnica. El proyecto se basa en la tecnologa de
sistemas microprocesados para desarrollar la parte del modulo de
adquisicin y traduccin procesamiento de datos de corriente y
comunicacin serial para la transmisin de datos a una base de datos
en una central. El proyecto presentado en este documento empleara
en la parte de diseo dimensionamiento, implementacin ramas
fundamentales que forman parte de la electrnica. Entre estos campos
se puede mencionar a la electrnica de control, redes de
comunicacin, programacin de bajo nivel e informtica. 1.5.2.
Justificacin econmica. El proyecto propuesto en el trabajo presenta
una opcin que se adecua a los requerimientos especficos de la
empresa y con un costo accesible con componentes que se encuentran
en mercado, adems ayudara bastante en el tema de gastos ms elevados
de dinero en reparacin de equipos dando lugar a que se realicen
mantenimientos preventivos en vez de realizar mantenimientos
correctivos, permitiendo as a la empresa hacer uso mximo de sus
recursos. 1.5.3. Justificacin social. El presente proyecto
facilitara el constante monitoreo del consumo de energa de las
maquinarias de la empresa Lujan, que permitir al personal de
mantenimiento prever si existe alguna falla en el funcionamiento,
debido a los cambios en sus magnitudes de lectura de los parmetros
elctricos que se monitorean. 1.6. ALCANCES El proyecto expuesto en
el presente documento tendr las siguientes limitaciones y alcances
en su implementacin ya que el sistema de monitoreo se realizara en
cada una de las maquinas de la empresa Lujan, con las siguientes
caractersticas: 26. 8 - 165 Modulo de recepcin de corrientes y
voltajes en cada maquinaria de inyeccin y soplado. Modulo de
procesamiento de las variables elctricas en cada maquinaria. Modulo
de visualizacin de parmetros elctricos de corriente, voltaje,
factor de potencia y balance de fases y emisin de alarmas. Sistema
de comunicacin entre los mdulos de adquisicin de parmetros
elctricos. Computador con el sistema de monitoreo. 1.6.1. Alcance
temtico. Las reas temticas de investigacin para llevar a cabo el
presente proyecto son anlisis de circuitos, componentes e
instrumentos, electrnica industrial con cuyos conocimientos
podremos leer y medir e interpretar corrientes y voltajes, el rea
de lineales I II III, para la parte de desarrollo del modulo de
procesamiento de seales de corriente y voltaje, el rea de sistemas
digitales, sistemas de microcontroladores, redes de comunicacin,
para la centralizacin y transmisin de datos. Para el diseo de una
topologa de red, redes de comunicacin, el rea de informtica y
sistemas de computacin para ver y entender mejor la parte de
comunicaciones mediante los protocolos planteados en el trabajo y
el desarrollo de la base de datos e interfaz para la base de datos.
1.6.2. Alcance geogrfico. El proyecto del sistema de monitoreo y
base de datos tendr lugar en las instalaciones de la empresa de
plsticos Lujan en la ciudad de Cochabamba-Bolivia. 1.6.3. Alcance
temporal. El proyecto se desarrollara durante el periodo de 9 meses
correspondientes a la gestin I-2011 y II-2011. 27. INGENIERIA DE
SISTEMAS ELECTRONICOS CAPITULO II MARCO TERICO Vale ms actuar
exponindose a arrepentirse de ello, que arrepentirse de no haber
hecho nada. (Giovani Boccaccio) 28. 9 - 165 2.1. CONTENIDO TEMTICO.
Tabla N 2: Contenido temtico del proyecto Objetivos especficos
Acciones Tema terico Investigar las caractersticas de las redes
elctricas trifsicas de la empresa. Estudio de las redes elctricas
alta y media potencia de la empresa. Electrnica industrial,
Electrnica de potencia, Componentes e Instrumentos, anlisis de
circuitos I II, Lineales I II III. Investigar las caractersticas de
cada una de las maquinarias de inyeccin y soplado de la empresa.
Estudio de los consumos de maquinarias en la empresa. Determinacin
de la cantidad de produccin de cada maquinaria. Investigar la
cantidad de horas que trabaja cada maquinaria Electrnica
industrial, Componentes e Instrumentos, anlisis de circuitos I II,
Lineales I II III. Analizar y determinar circuitos de proteccin
sistema y filtros para el sistema de monitoreo. Estudio de las
caractersticas de filtros en mercado Estudio de circuitos de
proteccin. Componentes e Instrumentos, anlisis de circuitos I II,
Sistemas digitales I II, lineales I II III. 29. 10 - 165 Disear
circuitos convertidores para la medicin de voltaje y corriente.
Estudio de herramientas de medicin de parmetros elctricos. Estudio
de las Variedades de CTs en mercado. Investigacin de mdulos de
conversin de corriente y voltaje. Estudio de los requerimientos y
componentes que se adecuen mejor para la toma de datos. Componentes
e Instrumentos, anlisis de circuitos I II, campos electromagnticos,
Sistemas digitales I II. Disear circuitos para la determinacin del
factor de potencia. Investigacin de los circuitos de deteccin por
cruce de cero. Lineales I, II, III Electrnica industrial, Sistemas
Digitales, Sistemas de microprocesadores. Disear un sistema
mcroprocesado para el monitoreo de variables elctricas de corriente
y voltaje. Investigacin y determinar los componentes para
desarrollar una red serial. Anlisis, investigacin y determinacin de
los componentes de adquisicin de datos. Anlisis de
microcontroladores. Lineales I II III, Anlisis de seales, variable
compleja, Anlisis de circuitos Anlisis de circuitos, Sistemas
digitales I II, sistemas de microprocesadores. 30. 11 - 165 Disear
la topologa para la comunicacin PC-uC. Investigacin y estudio de
las arquitecturas de comunicacin serial y los protocolos para
entablar la comunicacin entre maestros y esclavos. Redes de
comunicacin, anlisis de circuitos, sistemas digitales. Desarrollo
del software de monitoreo. Realizacin una base de datos en la PC
con los datos adquiridos del sistema. Informtica, redes de
comunicacin. Probar y ajustar el sistema. Verificacin del
comportamiento de los mdulos del equipo y calibracin de los mismos.
Reunin de todos los mdulos previamente probados. Verificacin del
comportamiento del equipo y ajustes de sus etapas para su correcto
funcionamiento. Anlisis de circuitos, electrnica industrial,
sistemas digitales, lineales I II III, informtica, redes de
comunicacin, sistemas de computacin, sistemas de microprocesadores
31. 12 - 165 Desarrollar un manual de funcionamiento del sistema.
Descripcin del funcionamiento del sistema. Sistemas de computacin,
sistemas de microprocesadores, lineales I II III. FUENTE:
Elaboracin propia. 2.2. DESARROLLO DEL MARCO TERICO 2.2.1. Redes
elctricas trifsicas. La estructura bsica de una red elctrica
trifsica consiste en una serie de fuentes de tensin conectadas a
una carga por medio de transformadores y lneas de transmisin como
se muestra esquemticamente en la figura N1. Figura N 1: Red
elctrica Fuente- Carga. FUENTE: JAMES W. NILSON, Circuitos
elctricos, Pg. 528. 32. 2.2.1.1. Tipos de conexin en sistemas
trifsicos. En sistemas trifsicos las conexiones ms comunes son
delta y estrella. A. En delta o tringulo: Como se puede ver en la
figura N 2 una conexin en delta o triangulo se consigue uniendo el
final de un devanado con el principio del otro y usando estos
puntos como bornes de salida de la mquina. Las figuras corresponden
a un alternador, un transformador (secundario) y su representacin
vectorial. Figura N 2: Conexin en delta o triangulo FUENTE: JOSEPH
A. EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.196 B. En estrella: Como se
puede ver en la figura N 3 una conexin estrella se consigue uniendo
los extremos homlogos de todos los devanados y dejando libre, como
borne, el otro extremo. Las figuras corresponden a un alternador,
un transformador (secundario) y su representacin vectorial. Figura
N 3: Conexin en estrella. FUENTE: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos
elctricos, Pg.196. 33. 2.2.1.2. Anlisis de circuitos Antes de
realizar el anlisis de redes elctricas trifsicas es necesario
conocer algunas leyes bsicas de la electrnica como se muestran a
continuacin: A. Ley de ohm. Figura N 4: Circuito bsico ley de Ohm.
FUENTE: JAMES W. NILSON, Circuitos Elctricos, pg. 32 Para el
anlisis de circuitos, se debe establecer una referencia entre la
corriente en la resistencia y el voltaje terminal. Esto se puede
hacer de dos maneras; ya sea en la direccin de cada de voltaje en
la resistencia, como se muestra en la figura N 4.a o en la direccin
del aumento de voltaje en la resistencia como se ilustra en la
figura N 4.b, si elegimos el primer mtodo la relacin entre voltaje
y corriente es: (2.1) Donde: v = Voltaje en volts i = Corriente en
amperes R = Resistencia en ohms 34. Si elegimos el segundo mtodo la
ecuacin es: (2.2) A partir de la anterior ecuacin definimos la
potencia que se da por la siguiente expresin: (2.3) B. Leyes de
kirchoff. Se utilizan cuando se necesita estudiar las relaciones de
corriente y voltaje en redes simples que resultan de la
interconexin de dos o ms elementos simples de un circuito. La
primera ley enuncia que la suma algebraica de las corrientes que
entran a cualquier nodo es cero. Considerando el nodo mostrado en
la figura N 5 La suma algebraica de las cuatro corrientes que
entran al nodo debe ser cero: Figura N 5: Ley de corrientes de
Kirchoff. FUENTE: ALBERT D. HELFRICK & WILLIAM D. COOPER,
Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin. Pg. 25. 35.
La ecuacin por la cual se rige esta ley es: (2. 4) La segunda ley
de Kirchoff enuncia que la suma algebraica de los voltajes
alrededor de cualquier trayectoria cerrada en un circuito es cero.
El circuito para esta ley se ve en la figura N 6. Figura N 6: Ley
de voltajes de Kirchoff FUENTE: ALBERT D. HELFRICK & WILLIAM D.
COOPER, Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin. Pg.
26. La ecuacin por la cual se rige esta ley es: (2.5) A partir de
esta segunda ley definimos las ecuaciones de un divisor de voltaje
teniendo un circuito como el de la figura N 7. 36. Figura N 7:
Circuito divisor de voltaje. FUENTE: Elaboracin propia. El vout se
da entre las terminales de la resistencia R2, el vin es el voltaje
de entrada y sobre la resistencia cae un voltaje v1 y teniendo en
cuenta que en una malla cerrada circula una corriente comn para
todos i entonces se tiene: (2.6) Utilizando la ley de ohm se tiene
que: (2.7) Despejando i: (2.8) Empleando de nuevo la ley de ohm
para calcular vout: (2.9) 37. Reemplazando (2.8) en (2.7) se tiene
que: (2.10) C. Valor RMS El valor rms se define como una medida de
la efectividad de una fuente de voltaje o corriente para entregar
potencia a una carga resistiva. Se expresa por la relacin general:
(2.11) Para una onda senoidal se da la siguiente relacin: (2.12)
2.2.1.3. Tensiones en sistemas perfectos. Figura N 8: Notacin
fasorial. FUENTE: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos elctricos,
Pg.196. En sistemas trifsicos se tienen tres fases que se denotan
con varias nomenclaturas como RST que se muestra en la figura N 8
las expresiones de los valores 38. instantneos de estas fases en el
dominio del tiempo estn dadas por las ec (2.13), (2.14), (2.15) y
estn representados por la figura N 9: (2.13) (2.14) (2.15) Figura N
9: Sistema trifsico dominio en el tiempo. FUENTE: JOSEPH A.
EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.196 2.2.1.4. Conexin estrella
equilibrada. Una conexin en estrella equilibrada consiste en unir
tres finales de fase para formar el polo neutro como se muestra en
la figura N 10. Esta conexin se puede adoptar tanto para
generadores como para receptores de energa. Para la realizacin de
anlisis suponemos que la red est conectada a una fuente trifsica
simtrica. 39. Figura N 10: Conexin en estrella equilibrada. FUENTE:
JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.196 En este sistema
las 3 impedancias de carga son iguales como tambin lo son los
ngulos de desfase como se expresa a continuacin: (2.16) (2.17) Las
tensiones de fase son: (2.18) Las tensiones de lnea son: (2.19) 40.
Y la relacin entre la tensin de fase y la tensin de lnea es: (2.20)
Las corrientes de fase en una carga en configuracin estrella son:
IRO, ISO, ITO. Y las corrientes de lnea en una carga en
configuracin estrella son las corrientes que circulan hacia la
carga, por las lneas de Transmisin y estas son: IR, IS, IT. En
conexin estrella equilibrada son iguales las corrientes de fase y
de lnea son iguales: (2.21) (2.22) Para calcular del neutro en la
configuracin y Aplicando Ley de Kirchhoff al punto O se tiene que:
(2.23) (2.24) En un sistema simtrico y equilibrado la corriente en
el neutro es nula. En el caso de un desequilibrio sirve como vlvula
de escape para conservar la simetra de 41. tensiones. A partir de
las anteriores ecuaciones se tiene como resultado un anlisis
vectorial de las corrientes de lnea, de fase y de voltajes de fase
y lnea como se puede ver en la figura N 11. Figura N 11: Diagrama
fasorial conexin estrella equilibrada Fuente: JOSEPH A. EDMINISTER,
Circuitos elctricos, Pg.200 A partir de las anteriores ecuaciones y
del diagrama fasorial de una carga conectada en configuracin
estrella mostrada en la figura N 11 se puede determinar los
siguientes puntos: Impedancias de carga iguales. Corrientes de lnea
iguales a las corrientes de fase. Corriente nula en el neutro. Los
voltajes de fase y de lnea no son iguales. 2.2.1.5. Conexin en
tringulo equilibrado Una configuracin en triangulo equilibrado se
puede adoptar tanto para generadores como para receptores de
energa. Las conexiones en tringulo crean redes sin neutro. En la
figura N 12 se puede ver una conexin en triangulo o delta. La carga
est conectada a una red trifsica simtrica. 42. Figura N 12: Conexin
en triangulo equilibrado. FUENTE: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos
elctricos, Pg.196. Las 3 impedancias de carga son iguales y los
ngulos tambin: (2.25) (2.26) Las corrientes de fase son: (2.27)
(2.28) (2.29) 43. Aplicando Kirchhoff a los 3 nodos se tiene que:
(2.30) (2.31) (2.32) A partir de las anteriores ecuaciones se
pueden determinar las corriente y voltajes de la conexin y por ende
se puede determinar el diagrama fasorial de la conexin como se
muestra en la figura N 13. Figura N 13: Diagrama fasorial conexin
triangulo equilibrada. Fuente: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos
elctricos, Pg.200. A partir de las anteriores ecuaciones y del
diagrama fasorial de una carga en estrella podemos determinar los
siguientes puntos: Las impedancias de carga son iguales en las 3
fases. Tensiones de fase iguales a tensiones de lnea. Ausencia de
punto neutro. La corriente de lnea es 3 veces mayor que la
corriente de fase. 44. 2.2.1.6. Conexin estrella desequilibrada con
neutro. Un sistema en conexin estrella desequilibrado se puede ver
en la figura N 14 en el cual las tensiones se calculan de la
siguiente manera: (2.33) (2.34) Y las tensiones son iguales (2.35)
(2.36) Figura N 14: Conexin estrella desequilibrada con neutro.
FUENTE: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.200 En esta
configuracin las corrientes se calculan de la siguiente manera: 45.
(2.37) (2.38) (2.39) Y la corriente de neutro no es nula entonces
el neutro transporta la corriente resultante del desequilibrio:
(2.40) En funcin a los anteriores ecuaciones se define un diagrama
fasorial representado por la figura N 15. Figura N 15: Diagrama
fasorial conexin estrella desequilibrada. FUENTE: JOSEPH A.
EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.201 46. 2.2.1.7. Conexin
estrella desequilibrada sin neutro. En una conexin en configuracin
de estrella sin neutro como la que se muestra en la figura N 16 las
3 tensiones de fase no son iguales ni simtricas, pero sumadas, dan
las tensiones de lnea. El desequilibrio en este sistema se
manifiesta en las tensiones de fase y mediante la modificacin del
punto neutro: Si solamente hay tres lneas A,B,C o R,S,T conectadas
e una carga en estrella desequilibrada, el punto comn de las tres
impedancias de carga no esta al potencial del neutro y se designa
por la letra en lugar de . Tiene particular inters el
desplazamiento a desde , tensin de desplazamiento del neutro.
Figura N 16: Conexin en estrella desequilibrada sin neutro. FUENTE:
JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.201. Para el punto O
se tiene que: 47. (2.41) Tambin se cumple que la suma de voltajes
de fase no es igual a cero: (2.42) A partir de las anteriores
ecuaciones se define el diagrama fasorial en la figura N 17 para la
conexin de estrella desequilibrada con tres conductores. Figura N
17: Diagrama fasorial conexin estrella desequilibrada sin neutro.
FUENTE: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.201. Posicin
del punto neutro O: (2.43) 48. Multiplicando las admitancias de
fase se tiene que: (2.44) Considerando que no hay neutro: (2.45)
Reemplazando: (2.46) Con UOO se puede ubicar en O en el plano, y
con el URO, USO, UTO 2.2.2. Maquinarias de inyeccin y soplado.
2.2.2.1. Maquinarias de inyeccin. Figura N 18: Esquema general de
una inyectora FUENTE: www.expodime/INYECTORA.pdf 49. En la figura N
18 se muestra el esquema general de una maquina inyectora de
plstico con sus partes. El propsito de la maquina inyectora de
plstico es ser capaz de suministrar la materia prima requerida por
el usuario al molde el cual debe de tener un sistema de
enfriamiento apropiado para que el producto se encuentre en buen
estado y no pierda sus propiedades y especificaciones indicadas.
Los sistemas que componen a la maquina son: sistema hidrulico,
trmico, mecnico, de enfriamiento y de control. Cuando se aplica
calor a un material termoplstico para fundirlo se dice que se
plastifica. El material ya fundido o plastificado por calor puede
hacerse fluir mediante presin y llenar un molde donde el material
solidifica y toma forma del molde. Este proceso se le nombra moldeo
por inyeccin. A. Partes de una inyectora. Las partes
representativas en una inyectora son la unidad de cierre, unidad de
inyeccin, bancada y control. Unidad de cierre. La unidad de cierre
Ayuda a introducir el material plstico al interior del molde. La
presin de inyeccin permanecer ms o menos constante mientras que la
velocidad de inyeccin aumentar con el tamao de la mquina. Unidad de
inyeccin. El grupo de inyeccin tiene la funcin de coger el material
slido que hemos depositado en su tolva, fundirlo de una forma
progresiva e inyectarlo (introducirlo) dentro del molde. Para ello
tiene una serie de elementos mecnicos, elctricos e hidrulicos.
Unidad de control La unidad de control es la que se dedica a
realizar el control de la maquinaria y coordinar todas sus etapas.
50. 2.2.2.2. Maquinarias de soplado. Figura N 19: Maquinaria de
Soplado FUENTE: www.quiminet.com En la figura N 19 se muestra una
maquina de soplado que es muy parecida a una maquinaria de inyeccin
ya que tambin cuenta con un tornillo para la fundicin del plstico
en su previa parte de inyeccin, esta se diferencia de la anterior
maquinaria mostrada en la figura N 18 por que cuenta adems con un
modulo de soplado en el cual se ejerce presin sobre un molde y el
plstico en estado semilquido toma forma y se solidifica a
diferencia de una maquina de inyeccin donde el plstico fundido
entra en una matriz y solidifica all mismo. Las partes ms
representativas de una maquinaria de soplado son: A. Partes de una
Sopladora Las partes representativas en una sopladora son la unidad
de soplado, unidad de inyeccin, bancada y control. Unidad de
soplado La unidad de soplado ejerce presin de aire sobre las
paredes del plstico que tomaran la forma del molde sobre el cual
estn siendo soplados. 51. Unidad de inyeccin o extrusin La unidad
de inyeccin extrusin es la que est destinada a la inyeccin/extrusin
del plstico est conformada bsicamente por un motor de tornillo.
Unidad de y bancada control La unidad de control es la que se
dedica a realizar el control de la maquinaria y coordinar todas sus
etapas. 2.2.3. Balance de fases en maquinarias. Se denomina sistema
trifsico equilibrado o carga trifsica equilibrada la que absorbe la
misma intensidad de corriente de cada una de las fases. Se denomina
sistema trifsico desequilibrado o carga trifsica desequilibrada la
que absorbe corrientes de fase no iguales; por tanto, en estrella,
el neutro conduce la diferencia (vectorial). Es el caso,
tpicamente, de los sistemas de alumbrado y otros receptores
monofsicos. El balance de fases en maquinarias bsicamente hace
referencia a que en las tres lneas de energa de un motor debe
existir un consumo equilibrado. El desbalance en motores trifsicos
principalmente se debe a problemas con la red de alimentacin o a
que los bobinados del motor no hayan sido correctamente rebobinados
en caso de que el mismo se haya quemado El desbalance trifsico es
el fenmeno que ocurre en sistemas trifsicos donde las tensiones y/o
ngulos entre fases consecutivas no son iguales. El balance perfecto
de tensiones es tcnicamente inalcanzable. El continuo cambio de
cargas presentes en la red, causan una magnitud de desbalance en
permanente variacin. La mera conexin de cargas residenciales, de
naturaleza monofsica, provocan un estado de carga en el sistema
trifsico que no es equilibrado entre fases, de all las 52. cadas de
tensin del sistema tampoco sern equilibradas dando por resultado
niveles de tensin desiguales. Un sistema de generacin simtrico, es
aquel donde las tres tensiones tienen igual magnitud de tensin y
sus fasores estn a 120 entre s. Una carga trifsica simtrica, es
aquella que genera tres corrientes de magnitudes y fases iguales
respecto a la tensin. En la figura N 20 se puede observar el
movimiento del punto O de la red lo cual implica un desbalance en
la misma. Figura N 20: Sistemas fasoriales de red y componentes
simtricas. FUENTE: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos elctricos,
Pg.201 Los sistemas desbalanceados pueden analizarse a partir de la
representacin por medio de tres sistemas trifsicos compuestos como
lo indica la anterior figura, por dos ternas (trifsicas) simtricas
y una tercera compuesta por una terna de igual magnitud, pero de
igual fase. La terna de secuencia positiva corresponde al flujo de
potencia que proviene de la red hacia la carga, es decir, desde el
generador hacia aguas abajo. La potencia suministrada o energa
elctrica generada tiene nicamente representacin de secuencia
positiva, o sea, no existe generacin de secuencia negativa u
homopolar, en los sistemas de generacin simtricos. 2.2.3.1. Causas
de desbalance de fases. La principal causa son las cargas
monofsicas sobre el sistema trifsico, debido a una distribucin no
homognea, en especial la de consumidores de baja tensin de ndole
monofsicos. 53. Para igual dispersin de cargas monofsicas, la
configuracin del tipo de red de distribucin y transmisin incide
sobre la propagacin del desbalance. La configuracin de red radial,
mostrar niveles mayores que una red mallada. Las impedancias
propias y mutuas entre fases no balanceadas presentarn desbalances
en las cadas de tensin an con cargas simtricas. El efecto de un
banco trifsico de capacitores con una fase fuera de servicio
presentar un desbalance de compensacin de corriente reactiva
capacitiva. Los hornos de arcos trifsicos, por su naturaleza de
funcionamiento, presentan desbalances de carga variable a lo largo
del proceso de fundicin. 2.2.4. Circuitos y dispositivos de medicin
de parmetros elctricos de corriente y voltaje. El anlisis de
circuitos de componentes para la medicin de parmetros elctricos
servir para estudiar la gama de circuiteras de medicin de corriente
y voltaje y ver cul de los circuitos se adecua mejor a los
requerimientos del proyecto para la determinacin de estos parmetros
elctricos. 2.2.4.1. Transformadores de corriente (CT). Figura N 21:
Transformadores de corriente (CT). FUENTE: ALBERT D. HELFRICK,
WILLIAMD. COOPER, Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de
medicin. Pg. 96. 54. La funcin de un CT es la de reducir
proporcionalmente a valores normales y no peligrosos la corriente,
con el fin de permitir el empleo de aparatos de medicin
normalizados. En la figura N 21 se muestra un CT de tipo toroidal.
Un transformador de corriente es un transformador de medicin, donde
la corriente secundaria esta dentro de las condiciones normales de
operacin, prcticamente proporcional a la corriente primaria, y
desfasada de ella un ngulo cercano a cero, para un sentido
apropiado de conexiones. El estndar de transformacin de los CTs
para su entrada vara desde los 15, 20, 25, 30, 40, 50, 75, 100,
150, 200, 300, 500, 600 amperes, mientras que el secundario de los
mismos termina en valores entre los 5 y 1 amperes. El primario de
dicho transformador est conectado en serie con el circuito que se
desea controlar, en tanto que el secundario est conectado a los
circuitos de corriente de uno o varios aparatos de medicin,
relevadores o aparatos anlogos conectados en serie. Un
transformador de corriente puede tener uno o varios devanados
secundarios embobinados sobre uno o varios circuitos magnticos
separados. 2.2.4.2. Transformadores de voltaje. Figura N 22:
Transformadores de voltaje. FUENTE: ALBERT D. HELFRICK, WILLIAMD.
COOPER, Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin. Pg.
95. 55. A. Relacin de transformacin. La relacin de transformacin
nos indica el aumento decremento que sufre el valor de la tensin de
salida con respecto a la tensin de entrada, esto quiere decir, por
cada voltio de entrada cuntos voltios hay en la salida del
transformador. La relacin entre la fuerza electromotriz inductora
es (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz
inducida es (Es), la obtenida en el secundario, es directamente
proporcional al nmero de espiras de los devanados primario (Np) y
secundario (Ns), en la ecuacin (2.35) se puede observar la ecuacin
de relacin que se da en un transformador de voltaje: (2.47) Un
transformador de potencial o tensin como se muestra en la figura N
22 es un dispositivo destinado a la alimentacin de aparatos de
medicin y /o proteccin con tensiones proporcionales a las de la red
en el punto en el cual est conectado. El primario se conecta en
paralelo con el circuito por controlar y el secundario se conecta
en paralelo con las bobinas de tensin de los diferentes aparatos de
medicin y de proteccin que se requiere energizar. Cada
transformador de tensin tendr, por lo tanto, terminales primarios
que se conectarn a un par de fases o a una fase y tierra y
terminales secundarios a los cuales se conectarn aquellos aparatos.
En estos aparatos la tensin secundaria, dentro de las condiciones
normales de operacin, es proporcional a la tensin primaria, con un
ngulo de desfase cercano a cero. Desarrollan dos funciones:
transformar la tensin y aislar los instrumentos de proteccin y
medicin conectados a los circuitos de alta tensin. En esta
definicin tan amplia quedan involucrados los transformadores de
tensin que consisten en dos arrollamientos realizados sobre un
ncleo magntico y los transformadores de tensin que contienen un
divisor capacitivo. Los primeros se 56. 37 - 165 llaman
"Transformadores de Tensin Inductivos" y los segundos
"Transformadores de Tensin Capacitivos". Los transformadores de
tensin no difieren en mucho de los transformadores de potencia en
cuando a elementos constructivos bsicos se refiere. Los componentes
bsicos son los siguientes: 2.2.4.3. Resistencia de Shunt. Una
resistencia de shunt o de derivacin es una carga resistiva a travs
de la cual se deriva una corriente elctrica. Generalmente la
resistencia de un shunt es conocida con precisin y es utilizada
para determinar la intensidad de corriente elctrica que fluye a
travs de esta carga, mediante la medicin de la diferencia de tensin
o voltaje a travs de ella, valindose de ello de la ley de Ohm :
(2.48) Cuando se desea medir una intensidad de corriente mayor que
la permitida por el dispositivo final deber derivarse, por el
instrumento, una parte proporcional para tal efecto se dispone de
una resistencia en paralelo con el instrumento como el que se
muestra en la figura N 23 a dicha resistencia se la denomina
derivador o shunt. Figura N 23: Resistencia de derivador de alta
corriente. FUENTE: ALBERT D. HELFRICK, WILLIAMD. COOPER,
Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin. Pg. 58 La
resistencia de derivacin se calcula aplicando un anlisis
convencional de circuitos como se muestra en la figura N 24: 57. 38
- 165 Figura N 24: Circuito de derivacin de shunt. FUENTE: ALBERT
D. HELFRICK, WILLIAMD. COOPER, Instrumentacin electrnica moderna y
tcnicas de medicin. Pg. 58 Donde: Rm = Resistencia interna del
movimiento (la bobina). Rs = Resistencia de derivacin. Im =
Corriente de deflexin a plena escala del movimiento. Is = Corriente
de derivacin. I = Corriente a plena escala del ampermetro
incluyendo la de derivacin. Ya que la resistencia de derivacin esta
en paralelo con el movimiento del medidor, el voltaje a travs de
las resistencias y el movimiento deben ser iguales, por lo tanto se
puede escribir: (2.49) O (2.50) Como I s = I- I m se puede
escribir: 58. 39 - 165 (2. 51) Mediante la anterior ecuacin para
cada valor de corriente necesaria a escala completa del medidor, se
puede calcular el valor de la resistencia de derivacin (shunt)
requerida. 2.2.4.4. Circuitos de acondicionamiento de seal para
medicin de corriente y voltaje A. El amplificador inversor Es el
primer amplificador estudiado, se llama amplificador inversor ya
que a su salida se encuentra desfasada 180 en la figura N 25
podemos observar el modelo de este amplificador Figura N 25:
Amplificador inversor. FUENTE: ANTONIO PERTENCE JUNIOR,
Amplificadores operacionales y filtros activos, pag. 39 Aplicando
la ley de kirkchoff en el punto a tenemos: (2. 52) Suponiendo que
el AOP ideal: 59. 40 - 165 (2. 53) Luego: (2. 54) Por otro lado en
el punto a tenemos tierra virtual, es decir: (2. 55) Por tanto: (2.
56) Y finalmente: (2. 57) B. El amplificador no inversor En este
amplificador la seal de salida no presenta desfase a su salida
Figura N 26: Amplificador en modo no inversor. FUENTE: C. J.
SAVANT, Diseo Electrnico, pg. 347. 60. 41 - 165 Se realiza el
anlisis para el amplificador de la figura N 26 Mediante el
procedimiento: Escribir una ecuacin en el nodo v+ para obtener: (2.
58) Escribir una ecuacin en el nodo v-para obtener: (2. 59) Hacer
v+=v- y sustituir v- ya que: (2. 60) Entonces: (2. 61) Despejando
la ganancia se obtiene: (2. 62) C. Amplificador sumador inversor El
circuito de un amplificador sumador inversor se muestra en la
figura N 27. El circuito muestra un circuito amplificador sumador
de tres entradas, el cual proporciona un medio algebraico para
sumar tres voltajes, cada uno multiplicado por un factor de
ganancia constante. 61. 42 - 165 Figura N 27: Amplificador sumador
inversor. FUENTE: ANTONIO PERTENCE JUNIOR, Amplificadores
operacionales y filtros activos, pg. 48 Haciendo el anlisis del
circuito: Vase la presencia de la resistencia de ecualizacin para
minimizar la tensin de offset en este caso es: (2. 63) Aplicando la
ley de kirchhoff en el punto a se tiene que: (2. 64) Despejando Vo
se tiene: (2. 65) 62. 43 - 165 D. El amplificador sumador no
inversor El circuito de la figura N 28 presenta la configuracin de
un sumador en el que la tensin de salida no sufre inversin. Figura
N 28: Amplificador sumador no inversor. FUENTE: ANTONIO PERTENCE
JUNIOR, Amplificadores operacionales y filtros activos, pag. 50
Aplicando la ley de voltaje en el punto b se tiene que: (2. 66)
Despejando se tiene: (2. 67) Donde G=1/R es la conductancia
expresada en siemens. Las resistencias R y Rf forman un
amplificador no inversor dado por: (2. 68) 63. 44 - 165 Luego: (2.
69) En caso de ser R1=R2=R3 y Rf=0 tendramos: (2. 70) E.
Rectificacin con amplificadores operacionales Figura N 29: Circuito
bsico del rectificador de media onda. FUENTE: ANTONIO PERTENCE
JUNIOR, Amplificadores operacionales y filtros activos, pag. 124 En
la figura N 29.a tenemos el circuito bsico del rectificador, es
bastante sencillo, pero suficiente para una introduccin al tema, En
la figura N 29.b est el modelo simplificado de este circuito,
cuando Vi es negativo el diodo se comporta como un circuito
abierto, y el alto valor de Ri asla la entrada de la salida
impidiendo toda seal en ella. 64. 45 - 165 Sin embargo, cuando Vi
es positivo y hay una carga conectada a la salida el diodo conduce,
teniendo lugar una cada de tensin VD. analizando el modelo de la
figura tendemos: (2. 71) (2. 72) Haciendo el anlisis se pueden ver
cmo funcionan las anteriores ecuaciones mediante la figura N 34. Y
tambin: (2. 73) Luego: (2. 74) Es decir: (2. 75) Y haciendo que Avo
tienda a un valor muy grande o infinito tenemos que: (2. 76) El
resultado de la ecuacin (2.61) muestra que si Vi es positivo y la
ganancia en lazo abierto infinito, el circuito presentara en la
salida la misma seal de entrada con independencia de su nivel o
amplitud (esta es una situacin ideal aunque en la practica el valor
de Vd es del orden de mili voltios o micro voltios, dependiendo de
la calidad del AOP utilizado. Ntese que la cada de tensin en el
diodo (VD) quedo 65. 46 - 165 anulada al estar dividida por un
factor infinito (1+Avo) en la situacin ideal. Esto justifica la
denominacin dada al circuito, ya que prcticamente no existe cada de
tensin en el diodo durante el proceso rectificacin. En la figura N
30 se muestra el rectificador de onda completa. Figura N 30:
Rectificador de onda completa con amplificadores operacionales.
FUENTE: ANTONIO PERTENCE JUNIOR, Amplificadores operacionales y
filtros activos, pag. 124. El circuito de la figura N 30 consta en
realidad de un rectificador de media onda construido con
amplificador operacional, que se asocia a un sumador formado por el
segundo amplificador operacional, si se toma la seal en el punto A,
puede comprobarse que se trata de una seal de media onda, que se
aplica al sumador junto con la seal de entrada de manera que en su
salida se obtiene una seal de onda completa, los diodos D1 y D2
deben ser de conmutacin rpida ,del tipo 1N914 o 1n4146, y las
resistencias de pelcula metlica de tolerancia inferior al 5 %, en
aplicacin es de media y alta precisin, donde se trabaja con seales
del orden de 100 mV (de pico) o menos, conviene ajustar el Offset
de los amplificadores operacionales. En el montaje citado se
comprueba que la seal del punto A es de media onda correspondiente
a la rectificacin de los semiciclos positivos de la seal de
entrada. para los semiciclos negativos las seal en A ser nula y
durante este intervalo, ambas seales se suman obtenindose a la
salida del amplificador operacional 2 la seal rectificada de onda
completa como se muestra en la figura N 34. 66. 47 - 165 Realizando
el anlisis del funcionamiento de este rectificador vemos en la
figura N 31 y figura N 32 la primera parte por la que est
conformada el rectificador de onda completa que es un rectificador
de media onda se realiza el estudio del comportamiento de este
circuito cuando se da el semiciclo positivo y el semiciclo
negativo. Figura N 31: Rectificador de media onda con operacionales
(semiciclo positivo) FUENTE: Elaboracin propia. Se puede ver que se
tiene el circuito en la configuracin del circuito en modo
amplificador inversor. Entonces su ganancia se dar por la ecuacin
(2.45) Ahora vemos el efecto del diodo sobre la corriente que
circula por el circuito, primeramente vemos por la ecuacin (2.61)
que el efecto de la cada por polarizacin del diodo queda
prcticamente anulada o drsticamente reducida por la ganancia del
amplificador operacional, ahora en esta seccin nos enfocamos en ver
cmo se comporta la corriente basndonos en las ecuaciones (2.56) y
(2.57) en el semiciclo positivo de voltaje de entrada al circuito
el diodo D1 est en bloqueo y se conduce corriente por el diodo D2
de entrada invirtiendo y amplificado la seal de entrada en 67. 48 -
165 funcin de las resistencias Rf y Ri, como se puede ver en la
figura N 31, si las resistencias Ri y Rf son iguales entonces la
ganancia es unitaria. Figura N 32: Rectificador de media onda con
operacionales (semiciclo negativo) FUENTE: Elaboracin propia. Ahora
vemos en la figura N 32 la respuesta del rectificador de media onda
en el semiciclo negativo de la entrada de voltaje, podemos observar
que el diodo D2 se encuentra inversamente polarizado entonces
trabaja como un circuito abierto, basndonos en la ecuacin (2.56)
vemos que cuando el voltaje de polarizacin Vi es negativo la salida
del rectificador de media onda es cero A partir de la figura N 31 y
la figura N 32, se puede determinar que el funcionamiento del
rectificador de media onda se da por la siguiente ecuacin. Para
Vi>0 (2. 77) Para Vi NMM (numero SI mximo de maquinarias) N=1 NO
Barrido de esclavos Solicitud de datos esclavo 1, 2, 3, etc
Seleccin esclavo N Peticin de datos esclavo N Lectura de datos
esclavo N Empaquetamiento de datos del esclavo N en trama de bits
N= N+1 Despliegue V1, V2, V3, I1, I2, I3, 1, 2, 3 de la maquinaria
N Envio a la computadora de la trama de bits del esclavo N FUENTE:
Elaboracin propia. 155. 3.5. DISEO DE LA TOPOLOGA PARA LA RED DE
COMUNICACIN SERIAL. El diseo de la topologa para la red de
comunicacin serial 485 se basa en una topologa de tipo bus como se
muestra en la figura N 93. Figura N 93: Topologa red serial 485
tipo bus. FUENTE: www.maxim-ic.com/datasheet/index. Para este
cometido se utilizan los integrados MAX 485 que permiten una
comunicacin de tipo Half dplex diferencial en las lneas de
transmisin de datos. El circuito bsico para una comunicacin con los
integrados MAX 485 se muestra en la figura N 94. Figura N 94:
Configuracin bsica del transceiver MAX 485. FUENTE:
www.maxim-ic.com/datasheet/index. 156. 3.6. DESARROLLO DEL SOFTWARE
DEL SISTEMA DE MONITOREO. El lenguaje elegido para la adquisicin de
datos del sistema de medicin de variables de voltaje, corriente,
potencia y factor de potencia es C Sharp debido a que es un leguaje
dirigido a objetos. Para el desarrollo del software del
procesamiento y visualizacin de datos en el computador se muestra
primeramente la interfaz de usuario para que esta sea lo ms
entendible posible por el usuario, esta ventana se muestra a
continuacin en la figura N 95. Figura N 95: Pantalla de interfaz
con el usuario. FUENTE: Elaboracin propia. 157. Como se puede
observar en la pantalla para una maquinaria los resultados son
desplegados en forma de datos numerales. El cdigo del programa que
se tiene para la visualizacin de los elementos en la pantalla, para
el clculo de variables y para la adquisicin de datos mediante la
comunicacin serial se puede ver en la parte del anexo G, a
continuacin se muestra el flujograma para la adquisicin de datos,
determinacin del factor de potencia, potencia activa, potencia
reactiva, consumo y balance de fases en la computadora:
Primeramente para la llegada de datos a la computadora ya se tiene
elaborados los datos organizados en una trama de bits a partir del
microcontrolador maestro donde se envan los datos en orden de V1,
I1, 1, V2, I2, 2, V3, I3, 3, con estos datos podemos calcular el
primero la potencia activa para una conexin en estrella dada por la
ecuacin (2.119). De la misma forma para calcular la potencia
reactiva mediante la ecuacin (2.115) El factor de potencia se
calcula mediante la ecuacin (2.121). El balance de fases ya que se
trabaja en un sistema que en su generacin es balanceado se verifica
mediante las magnitudes de voltaje, corriente y ngulo entre sus
fases que son datos ya calculados y enviados desde los esclavos Los
consumos se verifican en el sistema a partir del consumo de
potencia activa y potencia reactiva en el tiempo y se calculan a
partir de la ecuacin: 158. Figura N 96: Flujograma de clculo del
factor de potencia, potencia activa, potencia reactiva, de
despliegue de voltajes, corrientes, y ngulos de desfase en la
computadora. INICIO Recepcin trama de datos del microcontrolador
maestro Utilizacin de datos para el calculo del potencia activa
Parceo (separacin) de los bits de la trama de bits datos recibida
Utilizacin de datos para el calculo del potencia reactiva
Verificacin del bit de cabecera para la determinacin del esclavo
usado Utilizacin de datos para el calculo del energa en el tiempo
Almacenamiento de datos en base de datos Utilizacin de datos para
el calculo del factor de potencia Visualizacin de datos en pantalla
FIN FUENTE: Elaboracin propia. 159. 3.7. PRUEBA Y CALIBRACIN DEL
SISTEMA. 3.7.1. Calibracin de la etapa de amplificacin del
acondicionamiento de seal de corriente. En los mdulos de adquisicin
de variables elctricas tenemos que la resistencia de carga del CT
es una resistencia de tipo cermico, en teora decimos que esta
resistencia tiene un valor de 0.1 ohmios pero en realidad no es as,
la resistencia cuenta con un valor de 15 % de error. Es entonces
que se cuenta en los mdulos de acondicionamiento de corriente con
un potencimetro variable de 100 k para realizar ajustes en la etapa
de amplificacin de corriente y con la finalidad de que esta no
sobrepase los niveles permitidos. La tabla a continuacin muestra el
detalle de acondicionamiento de esta etapa: Tomando en cuenta que
la precisin de la resistencia es de 20 % calculamos el error de la
resistencia que ser igual a: Error= 0.1 * 0.20 = +/-0.03
Resistencia = 0.1 +/- 0.03 Valor mximo de corriente a la salida del
CT =5 A rms. Tabla N 22: Valores tentativos de ganancia segn el
error de la resistencia. Valor de resistencia () Conversin de
corriente a voltaje V=I*R Etapa de amplificacin voltaje Vout= A Vin
0.07 V=5 *0.07= 0.35v Vout= 10* 0.35v= 3.5v 0.08 V=5 *0.08= 0.4 v
Vout= 10 *0.4v =4v 0.09 V= 5* 0.09= 0.45 V Vout= 10* 0.45v =4.5 v
0.1 V= 5* 0.1= 0.5 V Vout= 10 * 0.5v = 5v 0.11 V= 5* 0.11= 0.5 V
Vout= 10* 0.55v = 5.5v 0.12 V= 5* 0.12= 0.55 V Vout= 10* 0.6v = 6v
0.13 V= 5* 0.13= 0.6V Vout= 10* 0.65v = 6.5 v FUENTE: Elaboracin
propia. 160. En la tabla N 22 se puede visualizar las posibles
variaciones de voltaje que puede implicar el error de la
resistencia de carga, por lo tanto el problema se resuelve
calibrando el potencimetro en la etapa de amplificacin del
acondicionamiento de corriente. 3.7.2. Pruebas de la deteccin por
cruce de cero y multiplexor y compuerta XOR. En la parte de
multiplexacion de seal para hacer las mediciones del pulso del
ngulo de desfase de corriente y voltaje se utiliza un integrado
74ls153, con el mismo se obtiene un retraso de un tiempo en el
orden de los nanosegundos, para un flanco de subida, para un flanco
de bajada y para la transmisin de un dato de la entrada a la salida
como se puede observar en la siguiente tabla N 23. Tabla N 23:
Disipacin de tiempo del 74ls153. FUENTE: www.alldatasheet.com La
compuerta que se utiliza en el proyecto es una compuerta XOR de
cdigo 74hc86 que tambin tiene una propagacin de tiempo en el orden
de los nanosegundos, como se puede observar en la tabla N 24. 161.
Tabla N 24: Disipacin de tiempo del 74hc86. FUENTE:
www.alldatasheet.com Teniendo todos estos datos vemos que el tiempo
de trabajo de estos integrados es bastante aceptable para el
proyecto. 3.7.3. Conversin anloga digital de seal pulsante de los
acondicionamientos de voltaje y corriente. Se hicieron pruebas con
el pic 16f877 cuando se trabajaba en la etapa de digitalizacin de
seales de corriente y voltaje, segn la hoja de especificaciones el
microcontrolador cuenta con un pequeo capacitor que hacindose
clculos tarda aproximadamente 19.72 us 20 us en tomar una muestra,
cuando se realizaron pruebas se verifico una baja estabilidad de
lecturas esto se debe a que la seal medida era una seal pulsante
que variaba de 0 a 5 voltios constantemente y no era una seal DC
entonces usando la metodologa del valor eficaz se iba pulsando
varios valores de la onda a lo largo de un periodo de 20 ms (50 hz)
como se puede observar en la figura N 88, para solucionar este
problema de estabilidad se planteo utilizar a lo largo de los 20
milisegundos tomar 100 muestras, haciendo una divisin tenemos que
el numero de muestras que se pueden tomar: Teniendo en cuenta que
el capacitor tarda 20 microsegundos en tomar una muestra entonces
tenemos el tiempo restante de 200us-20us = 180us, entonces en teora
se deben agregar 180 us mas a cada bucle para completar el tiempo
proporcional a una 162. muestra, pero aqu entra un detalle
importante relacionado, el pic necesita 4 ciclos de reloj para
ejecutar una instruccin y 8 ciclos para ejecutar una instruccin de
salto, Haciendo pruebas en laboratorio y con osciloscopios se
obtuvo la estabilidad de mediciones con un tiempo de adicin de 100
us a cada bucle, al realizar pruebas esto nos indica que para la
ejecucin de todas las instrucciones adems en cada bucle el
microcontrolador requiere de 80 us adicionales para ejecutar las
instrucciones del programa. 3.8. MANUAL DEL SISTEMA. 3.8.1.
Instalacin y montaje. Para la instalacin y montaje primeramente
instalamos los transformadores de corriente en cada lnea sobre las
lneas L1, L2, y L3 como se muestra en la figura N 97. Figura N 97:
Bornera de pines del sistema. FUENTE: Elaboracin propia. Posicionar
los CTs a cada lnea de alimentacin de la maquinaria usando la
polaridad de P1 a P2. Posicionar los trasformadores de voltaje en
las terminales lneas fase-neutro de cada fase de alimentacin de la
maquinaria como se muestra en la figura N 98. 163. Figura N 98:
Conexionado de transformadores de voltaje para el sistema. FUENTE:
Elaboracin propia. Realizar y verificar el conexionado de los
trasceiver MAX485 a los cables del bus de la red serial 485.
Agregar una resistencia de 120 ohmios entre las extremidades de la
red (Maestro esclavo mas alejado) como se muestra en la figura N
99. Figura N 99: Conexionado de red de transceivers MAX- 485
resistencias de 120 en dispositivos ms alejados en la red. FUENTE:
www.alldatasheet.com. 164. Realizar y verificar el interconexionado
del pic maestro de la red a la computadora. Instalar y ejecutar el
programa de monitoreo de variables elctricas en la computadora
mediante una comunicacin serial RS-232 mediante el circuito
integrado MAX-232 que consta de tres pines uno de tierra, otro de
recepcin y un ltimo de transmisin. Conectar los transformadores de
alimentacin de los mdulos a 220 v en la red de la empresa Realizar
el conexionado de alimentacin de los mdulos de acondicionamiento
procesamiento y transmisin de datos. 3.8.2. Modo de utilizacin.
Para iniciar con la toma de datos del sistema se debe seguir una
serie de pasos ordenados con la finalidad de obtener correctamente
las lecturas de los datos y correcto funcionamiento del sistema,
estos pasos a seguir son los siguientes: Encender las fuentes de
alimentacin para inicializar el trabajo de los mdulos de lectura.
Para el manejo del maestro se tiene un teclado en combinacin con el
PIC y el LCD se presenta un men como se puede observar en la figura
N 100: Figura N 100: Funcionamiento del Maestro. FUENTE: Elaboracin
propia. 165. El primer men mostrado en el LCD pide seleccionar
maquinaria ingresando el nmero de maquinaria como se muestra en la
figura N 101: Figura N 101: Men principal maestro. FUENTE:
Elaboracin propia. Por ejemplo si se escribe 01 para seleccionar la
maquinaria 1 entonces la pantalla del maestro mostrara los datos de
Voltajes de fase, corrientes, factor de potencia, potencias activa,
reactiva, aparente. Al escribir el nmero de maquinaria se debe
apretar asterisco para confirmar la seleccin, entonces se
desplegaran los datos de la maquinaria seleccionada como se muestra
en la figura N 102, para salir del men se presiona la tecla
numeral, las teclas asterisco y numeral actan en el men como teclas
de entrar y atrs respectivamente en los mens. 166. Figura N 102:
Pantalla de visualizacin de datos maestro. FUENTE: Elaboracin
propia. Para seleccionar otra maquinaria se debe volver al men
anterior, esto se realiza con la tecla numeral. Para determinar el
nmero mximo de maquinarias en la red se tiene otra opcin a la cual
se puede acceder desde el men principal presionando la tecla C,
entonces aparecer la pantalla que se muestra en la figura N 103.
Figura N 103: Men de seleccin cantidad mxima de esclavos en la red.
FUENTE: Elaboracin propia. 167. En esta pantalla se selecciona el
nmero mximo de esclavos en sistema que puede llegar a 63 esclavos
por la capacidad del microcontrolador 18f46k22, para realizar esto
solo basta con escribir con el teclado numeral el nmero de esclavos
y confirmar la operacin con asterisco. Para verificar alarmas y
ajustar los valores de los mismos partiendo del men principal, se
debe presionar la tecla D entonces se despliega el siguiente men
como se puede ver en la figura N 104. Figura N 104: Men de alarmas.
FUENTE: Elaboracin propia. Como se puede observar el men muestra el
nmero de alarmas actuales y debajo muestra las opciones para otros
dos mens: 1. Ver, 2. Ajustar: Cuando se selecciona 1 entonces se
muestra otra pantalla que muestra las maquinarias que estn en la
red actualmente con una flecha a la izquierda seleccionndola como
se puede ver en la figura N 105. 168. Figura N 105: Alarmas en
maquinas. FUENTE: Elaboracin propia. Para acceder a cualquiera de
ellas se verifica que la flecha apunte a la maquinaria deseada con
A o B y se la selecciona con asterisco. Al realizar esto se pueden
observar las alarmas en la maquinaria seleccionada. Las posibles
alarmas que se pueden presentar en el sistema son: Desbalance de
carga, que se activa cuando la corriente no est en los parmetros
requeridos, o en una fase la corriente es mucho menor.
Sobrecorriente cuando la corriente medida est por encima de la
corriente configurada. Factor de potencia bajo, cuando el factor de
potencia es menor a lo configurado en el men de ajustar. Falta de
VFx, determina si es que una fase del sistema trifsico sigue o no
activa. 169. Subtension Vx, cuando la tensin en la fase x, est por
debajo del lmite inferior configurado. Sobretensin Vx, cuando la
tensin en la fase x, est por encima del lmite superior configurado.
Desbalan
