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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
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
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.
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
elaboracin de este documento.
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.
i
NDICE
CONTENIDO Pg.
1. GENERALIDADES. ..................................................................................... 1 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
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
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
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
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
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
vii
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
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
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
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
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
0 INGENIERIA DE SISTEMAS ELECTRONICOS
CAPITULO I GENERALIDADES
Todo lo que puede ser imaginado es real.
(Pablo Picasso)
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.
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.
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.
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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.
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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.
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.
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:
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.
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)
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.
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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.
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
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.
13 - 165
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.
14 - 165
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
15 - 165
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.
16 - 165
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.
17 - 165
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)
18 - 165
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
19 - 165
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.
20 - 165
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)
21 - 165
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
22 - 165
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.
23 - 165
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)
24 - 165
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.
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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:
26 - 165
(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
27 - 165
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:
28 - 165
(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)
29 - 165
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
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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.
31 - 165
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.
32 - 165
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
33 - 165
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.
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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.
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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.
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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
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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:
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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 Is= I- Im se puede escribir:
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(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:
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(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.
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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.
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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)
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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)
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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.
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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
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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.
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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
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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
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El circuito de la parte de suma del amplificador operacional se puede observar en la
figura N 33.
Figura N 33: Sumador del rectificador operacional de onda completa.
FUENTE: Elaboracin propia.
Para nuestro circuito sumador en el rectificador su ecuacin de salida estar dada
por la ecuacin:
(2. 79)
Usando la ecuacin (2.65) el voltaje en el punto vA de la figura N 30 es:
Reemplazando la ecuacin (2.65) en la ecuacin (2.67) se tiene que el voltaje de salida del rectificador de onda completa esta dado por:
Si hacemos que Rf = R entonces:
(2. 80)
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Teniendo en cuenta que vi solo conduce en el semiciclo positivo de la seal se tiene
como resultado la respuesta de onda que se muestra en la figura N 34.
Podemos ver que esta parte del circuito esta sumando dos voltajes, primeramente
esta sumando la onda rectificada y amplificada al doble con la onda sinoidal de
entrada con ganancia unitaria, y despus invirtiendo toda la seal y rectificndola.
Figura N 34: Seales de entrada, salida y punto A del rectificador de onda completa.
FUENTE: ANTONIO PERTENCE JUNIOR, Amplificadores operacionales y filtros activos, pag. 124.
F. Comparadores de voltaje.
En muchas situaciones surge la necesidad de comparar dos seales entre si, siendo
una de ellas una referencia preestablecida por el diseador. Los circuitos
electrnicos destinados a esta funcin se denominan comparadores.
La salida del comparador consta de impulsos discretos que dependen del nivel de la
seal aplicada.
En realidad la salida de un comparador esta siempre en un valor alto denominado
saturacin positiva (+Vsat), o en otro bajo, llamado saturacin negativa (-Vsat), aunque
hay varias formas de limitar los niveles de energa para que no produzca la
saturacin.
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Existen dos tipos de comparadores: el no inversor y el inversor. En el primer caso la
seal de referencia se aplica a la entrada inversora del aop y la seal de la variable
que se va a comparar a la no inversora.
La figura N 35.a muestra el circuito elementa