ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación

“Diseño e implementación de equipo didáctico para el control y visualización de

características dinámicas de motores eléctricos”

Jaime Vera Verzola

Objetivo Diseño y construcción de un equipo didáctico

para el control de motores eléctricos trifásicos de inducción, basado en equipos industriales de control de velocidad y arrancadores suaves.

La obtención y procesamiento de las variables de sistema (corriente, tensión, frecuencia, etc) se la realizará mediante el software LabVIEW utilizando la tarjeta de adquisición de datos.

Des

crip

ción

del

equ

ipo

“JA

IVER

”

R S T

B.P.

MAIN

BYPASS1

BYPASS2

ATV ATS DANF

ATV ATS DANFOSS

AT_SEL

MOTOR1

MOTOR2

MOTOR3

U1 V1 W1 U2 V2 W2 U3 V3 W3

V

V

A

A A

R S T

U1 V1 W1

V

A

Alimentación trifásica

Disyuntor o Breaker

Contactor

Fusibles principalesFusibles

secundariosGuardamotor

Medición de voltaje

Medición de corrienteSalida al

motor

SIMBOLOGÍA

Controlador lógico programable SIEMENS SIMATIC S7-3001. Fuente de poder SITOP2. Módulo central CPU 312C3. Módulos de señales4. Cable para conectar una unidad de programación

PG

Breve descripción del PLC Fuente de poder: 24 Vdc, 5 A CPU 312c: 16 KB, 10 DI, 6 DO Módulo de entradas digitales

SM321 16 DI Módulo de salidas digitales

SM322 16 DO por relé Módulo de salidas analógicas

SM331 8 AI 12 bits de resolución Módulo de entradas analógicas

SM332 4 AO 12 bits de resolución

Software de programación STEP7 Lenguajes de programación

KOP, diagrama eléctrico, contactos y bobinasFUP, bloques de funciones lógicasAWL, comandos de texto

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

Programación simbólica Dirección absoluta

Tipo: (I, Q, M, T) Byte: Grupo Bit: Indice (0-7)

Símbolo: nombre asignado

Conexión de E/S del S7-3001

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Q2.0 DA18

CPU312C

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1.0

1.1DI ▲DO▼

1L+

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1M

Q2.1 DA19

Q2.2 DA27

Q2.3 DA29

Q2.4 DA32

Q2.5 DA33

+24V DA12

0V DA20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

SM321

0

1

2

3

4

5

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

I0.0 ON_OFF

I0.1 AUTO

I0.2 AT_SEL

I0.3 DANF_SEL

I0.4 FIN_RAMPAATS48 R2A

I0.5 MA1

I1.0 PA1

I0.6 MA2

I0.7 MA3

I1.1 PA2

I1.2 PA3

I1.3 VFUNC ATV31 R1A

L+

24V SITOPL+M

ATS48 R2C

ATV31 R1C

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

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14

15

16

17

18

19

20

SM322

0

1

2

3

4

5

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

S T

24V SITOP

Q0.0 RUN_ATS

Q0.1 STOP_ATS

Q0.2 LI1_ATV

Q0.3 LI2_ATV

Q0.4 LI3_ATV

Q0.5 LI4_ATV

Q0.6 LI5_ATV

Q0.7 LI6_ATV

L+

Q1.0 ATS

Q1.1 ATV

Q1.2 DANF

Q1.3 MOTOR1

Q1.4 MOTOR2

Q1.5 MOTOR3

Q1.6 BYPASS1

Q1.7 BYPASS2

M

1L1

2L1

ATV31 CLI

Comunicación con el PC Cable PC Adapter: MPI (Multi Point

Interface) a USB, permite comunicarse con hasta 32 estaciones

Transferencia del programa en ambos sentidos

Permite depurar el programa en línea con el PLC

Freno por corrientes de EDDYTERCO MV 1045 Disco conductivo Electroimán Ejes independientes Galga

extensiométrica Tacogenerador

Módulo de control y monitoreo TERCO MV1045

Adquisición de datos por medio de

Características de la tarjeta de adquisición NI 6221 Entradas analógicas

8 diferenciales o 16 simples 16 bits de resolución Rango: ±10, ±5,±1, ±0.2 V

Salidas analógicas 2 canales 16 bits de resolución Rango: ±10 V

Entradas/Salidas digitales 24 V Nivel lógico alto: 2.2 – 5.25 V Nivel lógico bajo: 0 – 0.8 V

Circuitos de acondicionamiento

Corriente Voltaje Torque Velocidad

Elementos de un instrumento virtual (VI)Programación gráfica Panel frontal

Conjunto de controles e indicadores

Diagrama de bloquesCódigo del programa

Arrancadores SuavesEfectos de arranque a plena tensión Perturbaciones en la red de alimentación Par de arranque muy alto

Ventajas del arranque suave Torque de aceleración suave y constante Flexibilidad en la ejecución del arranque

Límite de corriente Rampas de aceleración ajustables Refuerzo del torque de arranque (boost)

Control de torque durante la deceleración Funciones de protección

Esquema funcional

Tarjetas electrónicas del ATS48

Aceleración con Sistema de Control del Torque

Curvas de arranque

100%

200%

300%

0% 20% 40% 60% 80%

Plena TensiónRampa de TorqueTorque de carga

CURVA CARACTERISITCA VELOCIDAD - TORQUE

0%100%

100%VELOCIDAD DEL MOTOR

CURVA CARACTERISTICA VELOCIDAD - CORRIENTE

0%

200%

400%

600%

0% 30% 40% 60% 80%

Plena TensiónRampa de Torque

Torque deAceleración

Constante

Características del ATS48D17Q

Alimentación: 230/415 V, 50/60 Hz, 17 A Motor: 230 V - 4 kW, 400 V - 7.5 KW

Panel frontal (ENT, ESC, ▲▼, Display)Borneras

Control (RUN, STOP, 2 LI, 2 LO, 1 AO, PTC, RJ45)

Potencia (L1 L2 L3, T1 T2 T3, A2 B2 C2)

Parámetros Básicos

Parámetro Valor MenúIn 7.0 A Set

ACC 15 s Set

Sty F, rueda libre Set

LI3 LIS, 2º par. IO

AO Otr, par del motor IO

Visualiza estado SUP

Conexión al PC Software Power Suite

ParametrizarControlarVisualizar

Variadores de frecuencia Transforman el voltaje de entrada de frecuencia

fija (60 Hz) a frecuencia variable Controla la velocidad de motores de corriente

alterna

Estructura de un variador de frecuencia Rectificador

Monofásico Trifásico

Circuito intermedio Inductor Capacitor Troceador

Inversor Controlador

PAM PWM PWM asíncrono

SFAVM 60º AVM

Circuito intermedio y de fuerza del variador Altivar 31

EUPEC FB15R06KL4_B1

Características del ATV31HU15M2 Entrada: 200..240 V, 50/60 Hz,

monofásico Salida: 200..240V, 8 A, 1.5 kW 2 HP,

trifásicoPanel frontal (ENT, ESC, ▲▼, Display)Borneras

Control (6 LI, 2 RO, 3 AI, 2 AO) Potencia (R S, U V W, PO PC, PA PB)

Parámetros Básicos Altivar 31Parámetro Valor Menú

nCr 7.0 A dRC

UnS 220 V dRC

ACC 5 s SEt

dEC 5s SEt

LSP 5 Hz SEt

HSP 60 Hz SEt

tCC 3C, control 3 hilos I-O

rrS LI3 I-O

PSS Vel. Preselec. FUN

Visualiza estado SUP

Conexión al PC Software Power Suite

ParametrizarControlarVisualizar

Características del DANFOSSFC 302 Entrada: 200..240 V, 50/60 Hz, trifásico Salida: 200..240V, 7.5 A, 1.5 kW 2 HP, trifásico

Panel de control local Display Luces indicadoras (ON, Warn, Alarm) Teclas de menú (Status, Quick, Main, Alarm) Teclas de navegación (Dirección, Back, Cancel, Info, OK) Teclas de funcionamiento (Hand On, Off, Auto On, Reset)

Borneras Control (6 DI, 2 AI, 1 AO, 2 DO, 2 RO) Potencia (L1 L2 L3, U V W, -DC +DC, R- R+)

Ajuste Rápido (Quick Menu)Parámetro Valor Menú

00-01 Idioma Español Funcionam./Display

01-20 Potencia 1.5 kW Carga/Motor

01-22 Tensión 220 V Carga/Motor

01-23 Frecuencia 50 Hz Carga/Motor

01-24 Intensidad 6.95 A Carga/Motor

01-25 Velocidad 1420 rpm Carga/Motor

05-12 Terminal 27 Parada E/S digital

03-02 Ref. min 0 rpm Referencias/Rampas

03-03Ref. Máx 1800 rpm Referencias/Rampas

03-41 Rampa acel 5 s Referencias/Rampas

03-42 Rampa decel 5 s Referencias/Rampas

03-13 Lugar ref Conex. A manual/auto

Referencias/Rampas

Control de Lógica Inteligente (SLC) Comparadores Temporizadores Reglas lógicas Estados

EventoAcción

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

(Hz)

(s) 20 40 60 80 100

Conclusiones1. El desarrollo de los arrancadores suaves o estáticos ha permitido reducir

el impacto de la corriente de arranque de los motores sobre la red a la cual se encuentran conectados y el esfuerzo mecánico de las maquinarias que manejan. Sin embargo, introduce perturbaciones armónicas momentáneas en la red.

2. Se debe tener en cuenta el correcto seteo del parámetro ACC, que controla el tiempo de rampa de aceleración, para evitar picos de corriente al momento de efectuar el bypass, producidos cuando el motor no desarrolla suficiente velocidad en el arranque.

3. Los variadores de frecuencia son ampliamente utilizados en la industria para el control de velocidad de diferentes máquinas, tales como: tornillos, bobinas, ventiladores, bombas, etc. Gracias a las entradas analógicas de referencia y a las diferentes funciones que poseen, permiten manipular la frecuencia suministrada al motor de acuerdo a las necesidades presentes en el medio.

Conclusiones4. El Control Lógico Inteligente (SLC) del variador Danfoss FC 302 brinda la

facilidad de manejar operaciones rutinarias obteniendo señales del medio y procesándolas usando operadores lógicos, comparadores y temporizadores.

5. El Controlador Lógico Programable (PLC) permite establecer el orden de encendido de los equipos y demás periféricos, dando una operación más sencilla al usuario, resumiendo la cantidad de elementos como relés y temporizadores que se utilizarían con un control tradicional.

6. El equipo TERCO MV1045 ofrece una carga variable aprovechando el efecto de freno que generan las corrientes de Eddy, esta carga nos permite estudiar el comportamiento del motor acoplado midiendo el torque y la velocidad.

7. El software de monitoreo elaborado con LabVIEW muestras las formas de onda de corriente y voltaje características de cada equipo, teniéndolas como patrón de un funcionamiento normal nos permiten hacer una evaluación y pronóstico de fallas, por lo cual constituye una herramienta importante para el estudio y mantenimiento de equipos.

Recomendaciones La variación de carga debe hacerse teniendo en cuenta la corriente que se

está suministrando al motor para evitar que se exceda la corriente nominal del motor por sobrecarga.

Es importante el diseño adecuado de un panel eléctrico como el elaborado en esta tesis, teniendo en cuenta las precauciones y dispositivos de seguridad para evitar accidentes graves. También debe tener un mecanismo de encendido independiente para el circuito de control y fuerza que permita hacer pruebas de secuencia.

Es recomendable incluir luces indicadoras para la alimentación general y de dispositivos principales que sirvan para visualizar la presencia de tensión, de la misma manera para las fuentes de voltaje DC.

Para los circuitos de acondicionamiento de señal se deben utilizar fuentes independientes para aislar el circuito de fuerza y de este modo evitar que los fallos sean transmitidos a la tarjeta de adquisición.

Los equipos electrónicos que utilizan semiconductores introducen armónicos a la red, para disminuir su incidencia en la red se recomienda el uso de filtros. Se puede incluir en el diseño del panel para comprobar su efectividad.