diseño e implementación de un sistema automático de...
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Diseño e implementación de un sistema automático de pruebas de funcionamiento para variadores y arrancadores suaves trifásicos hasta 50 hp.
Derly Lorena Escobar Salamanca
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA INGENIERIA EN CONTROL
Bogotá, Colombia 2018
1
Tabla de contenido
Resumen: ............................................................................................................................................ 5
Abstract: .............................................................................................................................................. 6
1. Introducción ................................................................................................................................... 7
2. Desarrollo del proyecto .................................................................................................................. 8
2.1. Pruebas ............................................................................................................................... 10
2.2. Selección de elementos ....................................................................................................... 16
2.3. Ensamble ............................................................................................................................. 21
2.4. Configuración inicial de sistema regenerativo ...................................................................... 22
2.4.1. Configuración de los variadores de carga ........................................................................ 22
2.4.2. Auto Ajuste ....................................................................................................................... 25
2.4.3. Encoder ............................................................................................................................ 27
2.4.4. Control de Torque ............................................................................................................ 29
2.4.5. Regeneración Unidad regenerativa .................................................................................. 31
2.5. Unidad regenerativa ............................................................................................................ 33
2.6. Montaje de motores ............................................................................................................. 35
2.7. Conexión etapa de potencia ................................................................................................ 37
2.7.1. Entrada sistemas de carga ............................................................................................... 37
2.7.2. Salida sistemas de carga ................................................................................................. 38
2.7.3. Conexión Motores ............................................................................................................ 38
2.7.4. Entrada sistema de transferencia ..................................................................................... 40
2.8. PLC ..................................................................................................................................... 40
2.8.1. Comunicación .................................................................................................................. 41
2.8.2. Activación de los contactores ........................................................................................... 43
2.8.3. Sistema de reportes ......................................................................................................... 44
2.8.4. Seguridad ......................................................................................................................... 44
2.9. Diseño HMI .......................................................................................................................... 45
2.9.1. Pantalla Inicial .................................................................................................................. 45
2.9.2. Pantalla Datos .................................................................................................................. 46
2.9.3. Pantalla Confirmación ...................................................................................................... 47
2.9.4. Test .................................................................................................................................. 48
3. Resultados .................................................................................................................................. 49
4. Conclusiones ............................................................................................................................... 56
5. Referencias ................................................................................................................................. 58
2
Lista de imágenes
Imagen 1. Comunicación establecida entre PLC y Variador ............................................................... 11
Imagen 2. Falla disparada por el PLC en el variador .......................................................................... 11
Imagen 3. Pantalla de activación de los contactores en la transferencia ............................................ 12
Imagen 4. Confirmación de sistema activado ..................................................................................... 12
Imagen 5. Realimentación de sistema de transferencia ..................................................................... 13
Imagen 6. Potencia y torque en el variador de carga ......................................................................... 15
Imagen 7. Energía enviada a la red por la unidad regenerativa ......................................................... 15
Imagen 8. Placa de características motor de carga ............................................................................ 16
Imagen 9. Sistema de transferencia y control. ................................................................................... 21
Imagen 10. Tablero de carga 440v .................................................................................................... 21
Imagen 11. Sistema de carga 220v .................................................................................................... 22
Imagen 12. Información referencia del encoder.[6] ............................................................................ 27
Imagen 13. Acople encoder ............................................................................................................... 28
Imagen 14. Conexión potenciómetro lineal para control de torque en tarjeta de terminales del variador .......................................................................................................................................................... 29
Imagen 15. Ejemplo de regeneración en un motor en aplicación de des-embobinado. [5] ................. 31
Imagen 16. Dimensiones motor de carga. [9] ..................................................................................... 35
Imagen 17. Dimensiones motor de prueba. [4].......................................................................................... 35
Imagen 18. Base para motor de carga ............................................................................................... 36
Imagen 19. Cubos y acople RexOmega. [10] ..................................................................................... 37
Imagen 20. Acople final entre los ejes de los motores ....................................................................... 37
Imagen 21. Toma corriente del sistema de transferencia ................................................................... 40
Imagen 22. Módulos de comunicación Modbus ................................................................................. 41
Imagen 23. Programación de entradas para feedback de contactores. .............................................. 43
Imagen 24. Programación salida a contactores. ................................................................................ 44
Imagen 25. Pantalla inicial del sistema .............................................................................................. 45
Imagen 26. Pantalla donde se muestran los datos actuales del sistema. ........................................... 46
Imagen 27. Información que brinda el sistema sobre los contactores. ............................................... 47
Imagen 28. Pantalla de información de contactores del sistema. ....................................................... 47
Imagen 29. Pantalla de activación manual del sistema y cambio de parámetros. .............................. 48
Imagen 30. Formato de pruebas para variadores............................................................................... 50
Imagen 31. Formato de pruebas para arrancadores suaves. ............................................................. 51
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Listado de tablas
Tabla 1. Selección de equipos y materiales para tableros de carga (220 V y 440 V) ......................... 18
Tabla 2. Selección de equipos y materiales para el sistema de transferencia y control. ..................... 20
Tabla 3. Datos del motor de carga ..................................................................................................... 25
Tabla 4. Datos del motor de prueba[4] ............................................................................................... 26
Tabla 5. Datos del encoder. ............................................................................................................... 28
Tabla 6. Materiales incluidos en tarjeta Motor PG.[7] ......................................................................... 28
Tabla 7. Parámetros de configuración para encoder.[5] ..................................................................... 29
Tabla 8. Parámetros de configuración control de torque.[5] ............................................................... 29
Tabla 9. Parámetros de configuración módulo de inicialización comunicación. .................................. 41
Tabla 10. Parámetros de configuración módulo de configuración comunicación. ............................... 42
Tabla 11. Parámetros de configuración módulo de lectura comunicación. ......................................... 42
Tabla 12. Direcciones de lectura en el variador por comunicación.[5] ................................................ 42
Tabla 13. Parámetros de configuración módulo de escritura comunicación. ...................................... 43
Tabla 13. Resultados en tiempo de las pruebas realizadas a variadores. .......................................... 53
Tabla 14. Resultados en tiempo de las pruebas realizadas a arrancadores suaves. .......................... 55
Listado de gráficas
Gráfica 1. Datos del variador de prueba en sistema de carga durante pruebas ................................. 13
Gráfica 2. Datos del variador de carga durante pruebas .................................................................... 14
Gráfica 3. Comportamiento esperado de la velocidad y torque en un motor en vació durante control de torque en lazo cerrado ....................................................................................................................... 30
Gráfica 4. Comportamiento de la velocidad y torque en vació durante control de torque ................... 30
Gráfica 5. Paro por inercia del motor.................................................................................................. 31
Gráfica 6. Monitoreo del bus DC en el variador en tiempo de desaceleración de 3 y 5 segundos ...... 32
Gráfica 7. Monitoreo del bus DC en el variador en tiempo de desaceleración de 8 y 10 segundos .... 33
Gráfica 8. Pruebas realizadas con protocolo 40 HP y 440 ................................................................. 52
Gráfica 9. Pruebas realizadas con protocolo 30 HP y 440 V .............................................................. 52
Gráfica 10. Comparación del tiempo invertido en pruebas antes y después del proyecto para variadores. .......................................................................................................................................................... 54
Gráfica 11. Comparación del tiempo invertido en pruebas antes y después del proyecto para arrancadores suaves. ........................................................................................................................ 55
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Listado de Diagramas
Diagrama 1. Arquitectura del sistema. ................................................................................................. 9
Diagrama 2. Pasos para el auto-ajuste[5] .......................................................................................... 27
Diagrama 3. Esquema representativo del variador de velocidad durante regeneración en el motor ... 32
Diagrama 4. Diagrama de conexión de la unidad regenerativa. [8] .................................................... 34
Diagrama 5. Diagrama de potencia de una unidad regenerativa. [8] .................................................. 34
Diagrama 6. Conexión en gabinete de transferencia para sistemas de carga .................................... 38
Diagrama 7. Conexión de bobinas de motor para 220 VAC o 440 VAC. [4], [9] ................................. 38
Diagrama 8. Etapa de potencia de gabinete de transferencia ............................................................ 39
Listado de Ecuaciones
Ec 1. Ecuación de potencia ................................................................................................................ 22
Ec 2. Velocidad Angular ..................................................................................................................... 23
Ec 3. Solución velocidad angular ....................................................................................................... 23
Ec 4. Ecuación de potencia en términos de t y n ................................................................................ 23
Ec. 5. Ecuación del torque ................................................................................................................. 23
Ec 6. Ecuación Número de polos ....................................................................................................... 24
Ec 7. Ecuación de potencia general ................................................................................................... 25
Listado de Anexos
Anexo 1. Selección PLC y HMI
Anexo 2. Pruebas de protocolo
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Diseño e implementación de un sistema automático de pruebas de funcionamiento para variadores y arrancadores
suaves trifásicos hasta 50 hp.
Design and implementation of automatic operation test system for three phases drives and soft starters up to 50 HP.
Derly Lorena Escobar Salamanca* Frank Nixon Girlado Ramos**
Resumen: Este artículo es resultado de un proyecto realizado para la industria a nivel
automatización donde se busca el mejoramiento y la optimización de las pruebas
realizadas a variadores y arrancadores suaves (reparados o nuevos si el cliente lo
requiere) realizando un protocolo estándar de pruebas, que presenta la información
necesaria por medio de un PLC con su respectiva HMI, permitiendo una interacción con
el usuario llegando a un resultado y una evaluación del equipo, abarcando temáticas
como programación en Ladder y HMI, protocolo de comunicación Modbus, sistemas de
potencia, entre otros.
Al realizar este banco se busca optimizar las pruebas típicas que se pueden realizar a
un variador o arrancador suave, desarrollando un protocolo de pruebas estándar para
equipos de hasta 50 HP, mejorando el tiempo y la calidad del resultado presentado al
cliente, aplicando un sistema de adquisición por medio de un PLC y una interfaz HMI
donde se visualiza el estado del equipo y se controla el funcionamiento del banco de
pruebas. Los datos obtenidos permiten saber si el equipo se encuentra en óptimas
condiciones. Se presentan los conceptos teóricos explorados y los resultados obtenidos.
En primer lugar, se efectuó la revisión de estado del arte sobre la temática, luego se
evaluaron las características necesarias (Entradas digitales, análogas, comunicación,
etc.) que debía tener el PLC para dimensionar correctamente le referencia, finalmente
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se utiliza PLC Unitronics V570-57-T20B por su bajo costo, robustez ante el ruido,
tamaño pequeño y el HMI incorporado en el mismo.
Se desarrollaron pruebas durante un periodo de dos semanas para evaluar los
resultados en tiempo y calidad de las pruebas realizadas a los variadores comparado
con las pruebas realizadas antes del desarrollo del banco.
Palabras clave: Variadores de velocidad, arrancadores suaves, PLC, HMI, banco de
pruebas, optimización y estandarización de pruebas.
Abstract: This is a result of a project carried out for the automation industry, where the
improvement and optimization of the tests carried out on the soft starters and inverters
(repaired or new if the client requires it) is carried out by carrying out a standard test
protocol, which presents the necessary information by means of a PLC with respect to
its HMI, allowing an interaction with the user, arriving at a result and an evaluation of the
equipment, covering the topics such as Ladder and HMI programming, Modbus
communication protocol, power systems, among others.
By performing this bench you can optimize the tests that can be performed through a
soft starter or variator, the development of a standard test system for equipment up to
50 HP, improving the time and quality of the result presented to the client, applying an
acquisition system by means of a PLC and an HMI interface where the status of the
equipment is displayed and the operation of the test bench is controlled. The data
obtained allow us to know if the equipment is in optimal conditions. The theoretical
concepts explored and the results obtained are presented.
In the first place, the state of the art on the subject was reviewed, then the necessary
characteristics (digital inputs, analogue, communication, etc.) that the PLC had to
7
correctly size the reference were evaluated, finally PLC Unitronics V570- 57-T20B for its
low cost, robustness against noise, small size and the HMI incorporated in it.
It was developed in tests during a period of two weeks to evaluate the results in time and
quality of the tests carried out in the previous models with the tests carried out before
the development of the bank.
Key Words: Variable speed drives, soft starters, PLC, HMI, test bench, optimization and
standardization of tests.
1. Introducción
El problema que se encuentra al momento de realizar pruebas de funcionamiento en
variadores de velocidad o arrancadores suaves trifásicos (Reparados o nuevos) es la
necesidad de usar una gran cantidad de motores que proporcionen la suficiente carga en vacío,
esto para verificar que el equipo logre suministrar diferentes niveles de corriente al motor (entre
ellos la nominal de placa del variador o arrancador) y poder corroborar así su correcto
funcionamiento. Además, el proceso de verificación del estado de las I/O análogas y digitales
y protocolo de comunicación embebido en los equipos se realiza de forma manual, lo que
implica una mayor cantidad de tiempo durante el proceso de prueba.
Se han desarrollado proyectos con el mismo enfoque realizando banco de pruebas para
eficiencia en motores de inducción trifásicos utilizando dos métodos especificados del estándar
IEEE [1], donde se centran específicamente en los motores; en otro proyecto utilizan
variadores donde se muestran las ventajas de usarlos frente a otros tipos de arranques, pero
nuevamente el enfoque son pruebas a motores [2]. En general estos bancos están orientados
totalmente a motores y la aplicación de sus diferentes tipos de pruebas, encontradas en la
normal IEEE 112 del año 2004. En otros proyectos el objetivo es la instrumentación requerida
8
para controlar la velocidad de un motor en AC [3], pero en ninguno es punto central el variador
y su correcto funcionamiento.
Se realiza un banco de pruebas para verificar el funcionamiento de arrancadores suaves y
variadores, por medio de dos motores de prueba, uno de 30 HP el cual será conectado al
variador o arrancador suave de prueba y otro de carga de 40 HP, que como su nombre lo
indica funciona como generador de carga para el otro motor y así aumentar la corriente
suministrada por el equipo de prueba para el control de velocidad. Dos sistemas de carga, uno
de 220 VAC y otro de 440 VAC, compuestos por dos gabinetes, cada uno cuenta con variador,
una unidad regenerativa y filtros inductivos del voltaje correspondiente. Una transferencia
automática utilizando contactores, que cambia el cerramiento de los motores entre 220 VAC y
440 VAC dependiendo del variador conectado. Esta transferencia es controlada por un PLC
que adquiere los datos necesarios del variador por medio de comunicación Modbus, tanto para
activar la transferencia como para verificar el correcto funcionamiento del mismo durante el
proceso y por medio de una HMI se realiza el seguimiento a la información de las pruebas y la
configuración del sistema.
2. Desarrollo del proyecto
Este documento se centra en el desarrollo de un banco para pruebas de funcionamiento de
variadores de frecuencia y arrancadores suaves como herramienta de mejora, optimización y
calidad de las pruebas comúnmente usadas que se realizan para estos equipos (nuevos o
reparados), en el diagrama 1 se muestra el proceso general del funcionamiento del sistema
por medio de bloques funcionales.
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Diagrama 1. Arquitectura del sistema.
PLC - HMI: Encargado de identificar el variador de prueba mediante comunicación y de
acuerdo al voltaje de alimentación de este equipo activara la parte correspondiente de la
transferencia (220 VAC o 440VAC).
De igual forma verificara que los contactores de la transferencia se hayan activado
correctamente por medio de una interfaz y monitoreara los datos del variador y/o arrancador
para generar un reporte de pruebas.
Transferencia: Esta transferencia intercambiara el cerramiento del motor entre Alto voltaje
(440 VAC) y bajo voltaje (220 VAC) dependiendo del variador conectado al sistema. De igual
forma dará paso al sistema de carga correspondiente.
Sistema de carga 220 VAC: Gabinete compuesto por un variador y una unidad regenerativa
de 220 VAC que utilizara uno de los motores para generar carga al variador de prueba. Este
sistema asumirá la regeneración provocada por sí mismo.
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Sistema de carga 440 VAC: Gabinete compuesto por un variador y una unidad regenerativa
de 440 VAC que utilizara uno de los motores para generar carga al variador de prueba. Este
sistema asumirá la regeneración provocada por sí mismo.
Variadores y arrancadores para prueba: Variadores y arrancadores reparados, devueltos o
a los cuales se les necesita realizar pruebas con algún porcentaje de carga.
Motor de carga: Motor de 40 HP que funcionara como generador de carga para los variadores
y arrancadores de prueba.
Motor de prueba: Motor de 30 HP que será conectado a los variadores y arrancadores de
prueba.
A continuación se va a presentar el funcionamiento del sistema de carga, iniciando por las
pruebas realizadas al sistema y luego pasar por cada fase de ensamble, diseño y producción
de este proyecto.
2.1. Pruebas
El proceso de prueba comienza con la conexión a través de la comunicación modbus entre el
sistema de carga y un variador de velocidad. Como se muestra en la imagen 23 tres
indicadores mostraran si la comunicación se ha establecido correctamente (piloto cambiara de
rojo a verde, la etiqueta mostrara comunicación establecida y se mostrara el modelo del
variador). Ahora será posible desplazarse por el resto de pantallas de la interfaz.
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Imagen 1. Comunicación establecida entre PLC y Variador
Con la comunicación establecida el PLC escribirá una falla externa sobre el variador hasta el
momento en que se activen correctamente los contactores, esto para evitar posibles fallas y
daños en los motores por mal manejo de los operarios.
Imagen 2. Falla disparada por el PLC en el variador
Con los datos leídos del variador el PLC determina el voltaje nominal del variador y garantiza
que solamente se van a activar los contactores para que el sistema funcione a 220 voltios.
Como se ve en la imagen 25 la etiqueta muestra el voltaje asignado y espera la activación de
los contactores en el sistema de transferencia.
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Imagen 3. Pantalla de activación de los contactores en la transferencia
Se procede a activar la transferencia y verificar la etiqueta que confirma la correcta activación
de los contactores, sin embargo, se verifica en la siguiente pantalla que todos están
realimentando la señal al PLC.
Imagen 4. Confirmación de sistema activado
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Imagen 5. Realimentación de sistema de transferencia
Una vez la transferencia esta activa, se puede resetear la falla y activar el sistema de carga.
Durante este procedimiento se toman las gráficas de corriente, frecuencia y potencia tanto en
el variador de prueba como en el variador de carga para poder observar su funcionamiento.
Gráfica 1. Datos del variador de prueba en sistema de carga durante pruebas
En la gráfica 1 se observa la variación de la corriente y la potencia en el variador de prueba
con una velocidad fija de 60 Hertz. Esta variación es producida por el motor de carga y debido
a que el variador es de 30 HP se puede realizar pruebas simulando la máxima carga de este
variador. Mientras esto sucede en el variador de prueba, en el variador de carga se presenta
el fenómeno de regeneración que se comenta anteriormente en este documento y se puede
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observar el aumento y disminución del torque usando la entrada análoga del variador y el
potenciómetro.
Gráfica 2. Datos del variador de carga durante pruebas
En la imagen 6 se puede observar que durante toda la muestra de datos la potencia es
negativa, lo que significa que el motor está regenerando energía y aun así no presenta fallas,
alarmas y daños, esto gracias a la unidad regenerativa que toma esta energía es aprovechada
y la regresa nuevamente a la red para que sea aprovechada por el mismo variador de prueba.
A mayor torque generado por el motor de carga, mayor carga simulada en el variador de prueba
y mayor regeneración. Otra muestra importante del correcto funcionamiento del sistema es la
estabilidad en el BUS DC del variador.
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Imagen 6. Potencia y torque en el variador de carga
Se pueden contrastar los datos graficados con el monitor del variador de velocidad y finalmente
con el monitor de la unidad regenerativa para garantizar que el sistema se encuentra
funcionando correctamente.
Imagen 7. Energía enviada a la red por la unidad regenerativa
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2.2. Selección de elementos
La selección de los materiales para los tableros se realiza de acuerdo al motor de carga
(30 HP).
Imagen 8. Placa de características motor de carga
De acuerdo a esta placa se seleccionaron los siguientes equipos:
Tablero de carga 220 Voltios Tablero de carga 440 Voltios
Variador de frecuencia
Referencia: YASKAWA AU2A0081FAA Voltaje: 200 - 240 VAC Corriente: 81 Amperios Potencia: 30 HP (Motor) Encapsulado: IP20 Nema 1
Variador de frecuencia
Referencia: YASKAWA AU4A0058FAA Voltaje: 380 - 480 VAC Corriente: 58 Amperios Potencia: 25-30 HP (Motor) Encapsulado: IP20 Nema 1
Unidad Regenerativa
Referencia: YASKAWA 2A0028FAA Voltaje: 220 VAC Corriente: Amperios Potencia: 38 HP Encapsulado: IP20 Nema 1
Unidad Regenerativa
Referencia: YASKAWA R5U4030 Voltaje: 440 VAC Corriente: 40 Amperios Potencia: 30 HP Encapsulado: IP20 Nema 1
Reactores
Reactor de coordinación de potencia:
Referencia: MTE RL-13001 Frecuencia: 50/60 Hz Corriente Nominal: 130 Amperios Corriente Máxima: 195 Amperios Impedancia: 0.40 miliHenrios
Reactores
Reactor de coordinación de potencia:
Referencia: MTE RL-08002 Frecuencia: 50/60 Hz Corriente Nominal: 80 Amperios Corriente Máxima: 120 Amperios Impedancia: 0.10 miliHenrios
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Reactor supresor de corriente:
Referencia: MTE RL-08002 Frecuencia: 50/60 Hz Corriente Nominal: 80 Amperios Corriente Máxima: 120 Amperios Impedancia: 0.40 miliHenrios
Reactor supresor de corriente:
Referencia: MTE RL-08002 Frecuencia: 50/60 Hz Corriente Nominal: 80 Amperios Corriente Máxima: 120 Amperios Impedancia: 0.40 miliHenrios
Fusibles:
Modelo: A50QS150-4Y Fabricante: Ferraz Shawmut Corriente: 150 Amperios
Fusibles:
Modelo: A50P80-4Y Fabricante: Ferraz Shawmut Corriente: 80 Amperios
Transformador
Fabricante: J. PEDRAZA Y CIA. LTDA Potencia: 500 VA Voltaje de entrada: 440 VAC Voltaje de salida: 110/220 VAC Frecuencia: 60 Hz
Transformador
Fabricante: J. PEDRAZA Y CIA. LTDA Potencia: 300 VA Voltaje de entrada: 440 VAC Voltaje de salida: 220 VAC Frecuencia: 60 Hz
Protecciones
Breaker Principal: Marca: Eaton Referencia: BZMB2-A200 Corriente: 200 Amperios Corriente de corto circuito: 25 KiloAmperios Breaker Control: Marca: Eaton Referencia: FAZC2/1 Corriente: 2 Amperios Voltaje Máximo: 240 Voltios Marca: Eaton Referencia: FAZC4/1 Corriente:4 Amperios Voltaje Máximo: 240 Voltios
Protecciones
Breaker Principal: Marca: Eaton Referencia: BZMB2-A200 Corriente: 200 Amperios Corriente de corto circuito: 25 KiloAmperios
Breaker Control: Marca: Eaton Referencia: FAZC2/1 Corriente: 2 Amperios Voltaje Máximo: 240 Voltios Marca: Eaton Referencia: FAZC4/1 Corriente:4 Amperios Voltaje Máximo: 240 Voltios
Maniobra
Pulsadores: Marca: Eaton Color: Verde Referencia: M22-D-G
Maniobra
Pulsadores: Marca: Eaton Color: Verde Referencia: M22-D-G
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Color: Rojo Referencia: M22-D-R Pilotos: Marca: Eaton Color: Verde Referencia: M22-L-G Color: Rojo Referencia: M22-L-R Potenciómetro: Marca: EBCHQ Referencia: 534-1-1-202 Valor: 2 KiloOhmios Tipo: Lineal Precisión: 10 Vueltas
Color: Rojo Referencia: M22-D-R Pilotos: Marca: Eaton Color: Verde Referencia: M22-L-G Color: Rojo Referencia: M22-L-R Color: Rojo Referencia: M22-L-Y Potenciómetro: Marca: EBCHQ Referencia: 534-1-1-202 Valor: 2 KiloOhmios Tipo: Lineal Precisión: 10 Vueltas
Cableado
Marca: Centelesa Calibres:
Entrada: 3 AWG Salida: 3 AWG Bus DC: 3 AWG Control: 18 AWG Tierra: 6 AWG
Cableado
Marca: Centelesa Calibres:
Entrada: 6 AWG Salida: 6 AWG Bus DC: 6 AWG Control: 18 AWG Tierra: 8 AWG
Coraza
Marca: DKC Referencia: DKC0233 Dimensiones: 2000 x 1200 x 800 mm Techo/base: DKC0016 Perfiles verticales: DKC0257 Paneles laterales: DKC0019 Puerta metálica: DKC0039 Panel posterior: DKC0024 Material: Acero Inoxidable Grado de protección 1: IP55 Grado de protección 2: Nema 12 Grado de protección 3: IK10
Coraza
Marca: DKC Referencia: DKC0230 Dimensiones: 2000 x 1000 x 800 mm Techo/base: DKC0013 Perfiles verticales: DKC0257 Paneles laterales: DKC0019 Puerta metálica: DKC0038 Panel posterior: DKC0023 Material: Acero Inoxidable Grado de protección 1: IP55 Grado de protección 2: Nema 12 Grado de protección 3: IK10
Tabla 1. Selección de equipos y materiales para tableros de carga (220 V y 440 V)
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Sistema de transferencia y control
Contactores
Transferencia: 6
Fabricante: Eaton Referencia: DIL M115 Modelo: XTCE 115G Corriente: 115 Amperios Bobina: 110 VAC – 50/60 Hz
Separación 220 VAC: 2
Fabricante: Eaton Referencia: DIL M115 Modelo: XTCE 115G Corriente: 115 Amperios Bobina: 110 VAC – 50/60 Hz
Separación 440 VAC: 2
Fabricante: Eaton Referencia: DIL M65 Modelo: XTCE 065D Corriente: 65 Amperios Bobina: 110 VAC – 50/60 Hz
Relevos
Cantidad: 4 Fabricante: Relpol Pines: 14 Bobina: 110 VAC 50/60 Hz Corriente:
Fuente
Marca: EBCHQ Voltaje Entrada: 110/220 VAC Voltaje Salida: 24 VDC Corriente: 1.5 Amperios
Toma corriente
220 VAC
Marca: EBCHQ Voltaje: 380 – 415 VAC Corriente: 125 Amperios
20
440 VAC
Marca: Palazzoli Voltaje: 380 - 415 VAC Corriente: 60 Amperios
PLC y HMI Marca: Unitronics Referencia: V570-57-T20B (Anexo 1. Selección PLC y HMI, Tabla 29 Resultado final)
Cableado
Transferencia
Marca: centelsa Calibre: 3 AWG
Control
Marca: centelsa Calibre: 18 AWG
Maniobra
Pulsador: Paro de emergencia Marca: Eaton Color: Rojo Referencia: M22-PB Dimensiones: 40mm Breaker de control: Marca: Eaton Referencia: FAZC4/1 Corriente:4 Amperios Voltaje Máximo: 240 Voltios
Coraza
Marca: Rittal Referencia: CM 5123.500 Dimensiones: 1200 x 1200 x 400 mm Material: Acero Inoxidable Grado de protección 1: IP55 Grado de protección 2: Nema 12 Grado de protección 3: IK10
Tabla 2. Selección de equipos y materiales para el sistema de transferencia y control.
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2.3. Ensamble
El ensamble de los tableros fue realizado por la división eléctrica de la empresa de
acuerdo a los planos suministrados, se realizan pruebas SAT para verificar el
funcionamiento de los tableros, el resultado final es:
Imagen 9. Sistema de transferencia y control.
Imagen 10. Tablero de carga 440v
22
Imagen 11. Sistema de carga 220v
2.4. Configuración inicial de sistema regenerativo
2.4.1. Configuración de los variadores de carga
Los variadores ubicados en los gabinetes de 220 Voltios y 440 Voltios tienen la misma función
solo que la ejercen a su respectiva tensión, este variador es el encargado de generar el
movimiento al motor de carga el cual tiene una aplicación de velocidad fija (60 Hz - 1180 rpm
velocidad máxima del motor según placa de características del motor de carga) y torque
variable (0% - 100%) el cual depende del torque máximo permitido por el motor.
Para hallar el torque máximo del motor de carga se debe utilizar los datos proporcionados de
la placa de características y en la ecuación que relaciona datos conocidos del motor como
potencia y rpm.
Ecuación de potencia:
𝑝 = 𝑡. 𝑤
Ec 1. Ecuación de potencia
Donde:
P = Potencia en watios
23
T = torque en Newton metro
W = velocidad angular del giro (radianes/segundo)
La unidad de velocidad angular del SI es el radián por segundo. No obstante, el radián es una
unidad adimensional y una revolución o una vuelta completa equivale a 2π radianes, por lo
tanto, la relación entre la velocidad angular y las RPM representa la siguiente ecuación:
𝑤 =𝑛
60/2𝜋
Ec 2. Velocidad Angular
Donde:
W = velocidad angular del giro (radianes/segundo)
N= revoluciones por minuto
Resolviendo la ecuación 2:
𝑤 =𝑛
9.549297
Ec 3. Solución velocidad angular
Remplazamos la ecuación 3 en la ecuación 1, para hallar el torque del motor con datos
conocidos:
𝑝 =𝑡. 𝑛
9.549297
Ec 4. Ecuación de potencia en términos de t y n
Como se desea conocer el torque, despejamos esta variable de la ecuación 4.
𝑡 =𝑝. (9,549297)
𝑛
Ec. 5. Ecuación del torque
Resolviendo la ecuación 5 se obtiene el valor del torque:
𝑡 =29800 . (9,549297)
1180
𝑡 = 241.16021 𝑁. 𝑚
24
De igual manera se va a realizar el cálculo del torque máximo del motor de prueba, utilizando
la ecuación 5:
𝑡 =22371 . (9,549297)
1772
𝑡 = 120.557 𝑁. 𝑚
Según los datos hallados anteriormente se tiene el dato especifico de variación donde 0% son
0 N.m y 100% es 241.16021 N.m, la referencia de torque que ejercerá el variador sobre el
motor de prueba se da por medio de un potenciómetro lineal de 10 vueltas externo acoplado
en el tablero con referencia 534-1-1-202 (Especificado en las tablas selección de materiales
tabla 1).
Se debe hallar los polos del motor, el cual es un parámetro para la correcta configuración del
variador.
# 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠 =120. 𝑓
𝑛
Ec 6. Ecuación Número de polos
Donde:
F= frecuencia
N= rpm del motor
Motor de prueba:
# 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠 =120. (60 𝐻𝑧)
1180
# 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠 = 6 𝑃𝑜𝑙𝑜𝑠
Motor de Carga:
# 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠 =120. (60 𝐻𝑧)
1772
# 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠 = 4 𝑃𝑜𝑙𝑜𝑠
25
2.4.2. Auto Ajuste
Con el fin de realizar un control más eficiente del motor, el variador tiene incorporado
una función de auto ajuste de acuerdo al tipo de motor usado (Motor de inducción o de
imanes permanentes), donde se ingresan unos parámetros iniciales básicos del motor
y el variador calcula algunos parámetros automáticamente: corriente del motor sin
carga, deslizamiento nominal del motor y perdidas mecánicas del motor, esto con el fin
de obtener una mejor relación de torque por amperio consumido, es decir, mayor
eficiencia del motor. A continuación, se muestran las tablas básicas de datos para cada
motor.
Motor de Carga
Potencia Nominal 40 HP
Voltaje Nominal 230/460 Voltios
Corriente Nominal 102/51 Amperios
Frecuencia Nominal 60 Hz
# Polos 6
Velocidad Nominal 1180 rpm
Tabla 3. Datos del motor de carga
En el caso del motor de prueba en la placa no se observa la corriente nominal a 230
voltios, con el fin de seguir con la relación de la ecuación fundamental de potencia y
teniendo en cuenta que las demás variables (eficiencia, etc) no van a cambiar ya que
sigue siendo el mismo motor se encuentra la corriente sabiendo que el voltaje disminuyo
a la mitad la otra variable que puede cambiar es la corriente tomando ese cambio y
duplicando la corriente, así:
𝑝 = 𝑣. 𝑖
Ec 7. Ecuación de potencia general
30 𝐻𝑝 = (460 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠)𝑥(37 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑠)
30 𝐻𝑝 = (230 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠)𝑥(74 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑠)
26
Motor de Prueba
Potencia Nominal 30 HP
Voltaje Nominal 230/460 Voltios
Corriente Nominal 74/37 Amperios
Frecuencia Nominal 60 Hz
# Polos 4
Velocidad Nominal 1772
Tabla 4. Datos del motor de prueba[4]
Se va a explicar cómo se realiza el auto ajuste paso a paso:
1. Encienda el equipo, la pantalla inicial aparece.
2. Presione ↑ o ↓ hasta que aparezca la pantalla de autoajuste.
3. presione para comenzar a configurar los parámetros.
4. presione para mostrar el valor para T1-01
T1-01: aparecerá en la pantalla cuando una de las entradas multifuncionales se haya
configurado para cambiar entre el motor 1 y el motor 2.
5. Guarde la configuración presionando
6. la pantalla vuelve automáticamente a la pantalla que se muestra en el paso 3, en
este punto se van a configurar todos los parámetros mostrados en la tabla #4, para
esto se debe desplazar por los parámetros t1-02 hasta el t1-07 utilizando las teclas
↑ o ↓.
7. luego de ingresar todos los datos aparecerá la pantalla de inicio de auto-ajuste, para
confirmar e iniciar se debe presionar .
8. En la pantalla se mostrará el proceso de auto-ajuste
9. Se muestra la finalización del proceso de auto-ajuste de manera satisfactoria.[5]
27
Diagrama 2. Pasos para el auto-ajuste[5]
2.4.3. Encoder
Se utiliza el encoder de referencia IHA6012 que fue suministrado por la empresa, de su
referencia se deben sacar datos importantes:
Imagen 12. Información referencia del encoder.[6]
28
Referencia IHA60
Diámetro Eje 12 mm
# Pulsos 3600
Canales BZ
Pulso z 1
Voltaje de alimentación 12V - 24 V
Tipo de señal de salida T: Line Driver
Tabla 5. Datos del encoder.
Con el diámetro del eje del encoder se realiza un acople mecánico para que los dos ejes
giren al mismo tiempo y se pueda recopilar la información necesaria, así:
Imagen 13. Acople encoder
De acuerdo al tipo de señal de salida se debe incluir al variador una tarjeta Motor PG
Feedback Line Driver Interface (PGX3), la cual permite que el variador entienda la
información que envía el encoder, esta tarjeta solo debe ser instalada y el variador
reconocerá automáticamente el nuevo dispositivo, adicional se deben realizar dos
configuraciones a los parámetros del variador para el correcto funcionamiento del
encoder.
Tabla 6. Materiales incluidos en tarjeta Motor PG.[7]
29
Parámetro Valor Función
A1-02 3 Método de control: Vectorial Lazo cerrado
F1-01 3600 Pulsos por revolución del encoder
Tabla 7. Parámetros de configuración para encoder.[5]
2.4.4. Control de Torque
Una vez realizado el auto-ajuste y la configuración del encoder se configura el variador para la
aplicación de torque variable. En este caso se utiliza el potenciómetro como referencia para el
control de torque y una entrada análoga del variador de velocidad. Los parámetros necesarios
para esta aplicación son los siguientes:
Parámetro Valor Función
H3-02 15 Entrada análoga A1 como límite de torque
b1-01 0 Frecuencia del motor ingresada por operador
d1-01 60.00 Hz Frecuencia de salida del variador Tabla 8. Parámetros de configuración control de torque.[5]
Gracias a la realimentación del encoder el variador de velocidad puede realizar un control de
torque preciso (Control en lazo cerrado), garantizando que el porcentaje dado en la entrada
análoga será el máximo torque que se verá reflejado en el eje del motor.
Imagen 14. Conexión potenciómetro lineal para control de torque en tarjeta de terminales del variador
Como se puede observar en la gráfica 1 cuando el motor se encuentra en vació y se aumenta
el torque mediante la entrada análoga, este encontrara su máximo en un porcentaje bajo
debido a que en la condición de vació el eje del motor no requiere mucha fuerza para su
30
movimiento, sin embargo, cuando la referencia de torque es cercana o igual a 0% el eje del
motor perderá fuerza y empezara a desacelerar por inercia. Finalmente, cuando se da
comando de paro, el torque aumenta un poco ya que el variador debe forzar al motor a frenar
en un tiempo determinado.
Gráfica 3. Comportamiento esperado de la velocidad y torque en un motor en vació durante control de torque en
lazo cerrado
Gráfica 4. Comportamiento de la velocidad y torque en vació durante control de torque
31
Para facilitar el funcionamiento del sistema y evitar posibles daños en ambos motores, el
método de parada del motor de carga será por inercia, lo que quiere decir que se suprime la
rampa de desaceleración que obliga al motor a parar en determinado tiempo, en cambio una
vez se reciba el comando de parada, el variador cortara la salida de tensión y el motor se
detendrá por la inercia del mismo. Para esto se modifica el parámetro b1-03 a 3.
Gráfica 5. Paro por inercia del motor
2.4.5. Regeneración Unidad regenerativa
Las unidades regenerativas ubicadas en los gabinetes de 220 Voltios y 440 Voltios tienen la
misma función solo que la ejercen a su respectiva tensión, estas se encargan de tomar la
energía regenerada por el motor y regresarla a la red eléctrica para que pueda ser aprovechada
por otro elemento dentro de la misma red, para el caso puntual de este proyecto la energía
que regenera el motor de carga será aprovechada por el variador de prueba tanto en 220
voltios y 440 voltios. El fenómeno de regeneración se presenta cuando el motor transforma la
energía cinética en energía eléctrica, para efectos prácticos es cuando el vector de torque y
dirección van en direcciones opuestas lo que genera un fenómeno de “arrastre del motor”.
Imagen 15. Ejemplo de regeneración en un motor en aplicación de des-embobinado. [5]
32
Debido a la construcción del variador esa energía que regenera el motor pasa a través de los
diodos de los transistores IGBT que funcionan como rectificador y llegan al BUS D.C haciendo
que el nivel de tensión de estos aumente. Es decir, el variador se comporta como si tuviese
una fuente AC conectada a la entrada y una fuente AC conectada a la salida.
Diagrama 3. Esquema representativo del variador de velocidad durante regeneración en el motor
En las gráficas 4 y 5 se puede observar el comportamiento cuando el motor está regenerando,
para esto se realizó la medición en el bus DC mientras el motor desaceleraba de 60 Hertz a 0
Hertz en tiempos de 3, 5, 8 y 10 segundos.
Gráfica 6. Monitoreo del bus DC en el variador en tiempo de desaceleración de 3 y 5 segundos
33
Gráfica 7. Monitoreo del bus DC en el variador en tiempo de desaceleración de 8 y 10 segundos
La regeneración se presenta debido a la inercia del rotor, la potencia del motor y el tiempo de
desaceleración. Al ser el tiempo de desaceleración muy corto y la potencia del motor similar a
la del variador, la inercia del motor hace que este regenere por el fenómeno de arrastre
mencionado anteriormente. Esta energía regenerada es rectificada por los diodos de salida del
variador y aumenta el voltaje en el bus DC llevándolo al nivel de 819 VDC como se observa en
las imágenes. Debido a la configuración del variador el máximo voltaje permitido es 800 VDC
para evitar el daño de los condensadores. Este fenómeno es el que da paso al uso y
configuración de la unidad regenerativa.
2.5. Unidad regenerativa
Para poder conectar y poner en marcha correctamente la unidad se requieren elementos
periféricos que se contemplaron durante la selección de los elementos. En el diagrama #3 se
muestra el diagrama de conexión de la unidad regenerativa.
34
Diagrama 4. Diagrama de conexión de la unidad regenerativa. [8]
Reactancia de coordinación: Esta reactancia reduce los armónicos de corriente de entrada
del variador y limita la corriente de la unidad regenerativa.
Reactancia de supresión: Esta reactancia limita la corriente de la unidad regenerativa. La
unidad regenerativa requiere una reactancia mínima para funcionar correctamente.
Fusibles de entrada: Protección de la unidad regenerativa.
Finalmente, la unidad regenerativa se encarga de enviar nuevamente a la red eléctrica el
exceso de energía en el bus DC durante la regeneración del motor y tiene el principio de
funcionamiento de la salida de un variador estándar como se muestra en el diagrama 4,
excepto que la unidad regenerativa se sincroniza con la frecuencia de la red para evitar
problemas.
Diagrama 5. Diagrama de potencia de una unidad regenerativa. [8]
35
A diferencia del variador de velocidad la unidad regenerativa no requiere ajustes en
programación para funcionar, únicamente necesita el comando de marcha simultaneo con el
variador, sin embargo, se pueden realizar ajustes a parámetros si la aplicación lo requiere.
2.6. Montaje de motores
Para realizar correctamente el montaje se tuvo en cuenta las dimensiones de los motores, por
lo cual se recurrió al documento de datos de cada uno. Los datos esenciales para el montaje
son diámetro de eje, altura desde la base hasta el eje y distancia entre hoyos de sujeción. En
la imagen 9 se pueden observar las dimensiones del motor de carga y en la imagen 10 las
dimensiones del motor de prueba.
Imagen 16. Dimensiones motor de carga. [9]
Imagen 17. Dimensiones motor de prueba. [4]
36
La placa sobre la cual se montaron los motores se fabricó teniendo en cuenta las diferencias
de tamaño de los motores, esto para que los ejes coincidieran en su centro. La distancia de
centrado en cuanto al ancho no presenta un problema ya que la placa se fabricó con las
dimensiones del motor con mayor volumen (motor de prueba) pero para la distancia de
centrado a lo alto se tuvo que adicionar una placa que compensara la diferencia de altura entre
un motor y otro como se muestra en la imagen 11.
Imagen 18. Base para motor de carga
Con los motores enfrentados y alineados correctamente se procede a colocar el acople plástico
(Rex Omega) para la transmisión del movimiento entre un motor y otro. El acople viene con
dos cubos que se atornillan a cada eje de sus respectivos motores y en estos es donde
finalmente se fija el Rex Omega. En la imagen 12 se pueden ver los cubos en sus respectivos
ejes y la forma en que se coloca el acople en los mismos.
37
Imagen 19. Cubos y acople RexOmega. [10]
Finalmente se realiza una prueba al acople mediante el arranque de los motores en ambas
direcciones y verificando el torque de los tornillos de sujeción.
Imagen 20. Acople final entre los ejes de los motores
2.7. Conexión etapa de potencia
2.7.1. Entrada sistemas de carga
La primera conexión de potencia en el sistema es la de los respectivos sistemas de carga.
Cada gabinete (sistema de carga 220 VAC y 440 VAC) tiene destinada una entrada trifásica
para su respectiva alimentación, la cual es directa y es activada o desactivada únicamente por
el breaker totalizador de cada gabinete.
38
2.7.2. Salida sistemas de carga
La salida trifásica de cada sistema de carga va conectado a una entrada del gabinete de
transferencia, el cual se encargará de dar paso a uno u otro dependiendo de cuál sea
seleccionado.
Diagrama 6. Conexión en gabinete de transferencia para sistemas de carga
Como se observa en el diagrama 5 el contactor #1 es quien se encarga de dar paso al sistema
de carga de 440 VAC y el contactor #2 da paso al sistema de carga de 220 VAC.
2.7.3. Conexión Motores
Los motores de esta aplicación tienen 9 puntas para su conexión, dependiendo de la
configuración deseada (220 VAC o 440 VAC) se deben conectar sus bobinas de una forma
específica, tal como se muestra en el diagrama 6.
Diagrama 7. Conexión de bobinas de motor para 220 VAC o 440 VAC. [4], [9]
39
Para la conexión de 440 VAC en ambos motores se deben cortocircuitar T4 y T7, T5 y T8, T6
y T9, y las puntas T1, T2 y T3 irán directamente a la tensión.
Para la conexión de 220 VAC en ambos motores se deben cortocircuitar T4, T5 y T6, así como
las puntas T1 y T7, que serán la línea uno de tensión, T2 y T8 que serán la línea 2 de tensión
y T3 y T9 que serán la línea 3 de tensión.
Diagrama 8. Etapa de potencia de gabinete de transferencia
Como se ve en el diagrama 7 cuando se selecciona 440 VAC el contactor #4 se encarga de
cortocircuitar las puntas mencionadas antes y el contactor #1 da paso a la salida del sistema
de carga, lo mismo hacen el contactor #9 y #6 para el motor de prueba cuya entrada viene del
variador de prueba. Cuando se selecciona 220 VAC el contactor #5 cortocircuita T4, T5 y T6,
el contactor #3 cortocircuita las demás puntas en sus pares respectivos y el contactor #2 da
paso a la salida del sistema de carga, lo mismo hacen el contactor #10, #8 y #7 para el motor
de prueba.
40
2.7.4. Entrada sistema de transferencia
La entrada del sistema de transferencia se compone de 2 toma corriente hembra, uno para
220 VAC y otro para 440 VAC donde se debe conectar la salida del variador de prueba. Como
se mencionó anteriormente, será el control de la transferencia quien se encargará de dar paso
a una u otra entrada.
Imagen 21. Toma corriente del sistema de transferencia
2.8. PLC
El PLC utilizado en este proyecto es un Unitronics V570-57-T20B donde se realizó un proceso
de selección entre varias marcas de y este fue seleccionado por su bajo precio, facilidad de
programación y la comunicación usada por el equipo, como se puede evidencia en el anexo 1
donde se realiza el proceso de selección según el Proceso de análisis jerárquico (AHP) este
tipo de métodos son usados en el momento de seleccionar algún tipo de material o equipo ya
que evita el error humano y las posibles preferencias del usuario, centrándose totalmente en
las necesidades del proyecto.
41
De manera general el programa primero realiza una comunicación Modbus para saber el
variador que se encuentra conectado al sistema de carga de que voltaje es (220 v o 440 v), de
acuerdo al voltaje activa el sistema de transferencia para los motores y los gabinetes de los
sistemas regenerativos asegurando su bien funcionamiento, de igual manera el sistema toma
datos, los almacena para posteriormente graficar y generar un reporte de las pruebas
realizadas al variador.
A continuación, se va explicar el programa realizado para el proyecto con más detalle.
44
entraron correctamente para el voltaje correspondiente y en el caso de que no presenta
falla la cual se muestra en la HMI.
Imagen 24. Programación salida a contactores.
2.8.3. Sistema de reportes
El sistema tiene la capacidad de obtener y guardar los datos de la referencia, la
frecuencia de salida, voltaje de salida, corriente de salida y potencia consumida del
motor en un archivo de extensión .xls compatible con Excel los cuales serán
almacenados en una memoria SD que se agrega al PLC.
La cantidad de datos y cada cuanto tiempo se toman los datos son configurados por
desde la HMI por el usuario.
Luego con estos datos guardados en la memoria SD se realizan gráficas y un posterior
reporte el cual será entregado al cliente como prueba final del sistema.
2.8.4. Seguridad
El sistema tiene niveles de acceso a ciertas funciones del sistema con el fin de evitar
posibles daños.
45
Para entrar a la pantalla Manual, es decir cuando el sistema funciona sin comunicación
se debe ingresar una contraseña para arrancar el sistema.
Para el ingreso a cambiar parámetros en la toma de datos para los reportes dondo se
cambia el tiempo de adquisición de datos y la cantidad de datos tomada, también se
debe ingresar la contraseña de seguridad.
2.9. Diseño HMI
2.9.1. Pantalla Inicial
Esta es el resultado de la pantalla inicial del proyecto por razones de políticas de la empresa
no puedo mostrar el nombre de la empresa para el cual fue desarrollado este proyecto, en este
despliegue se realiza la conexión del variador cuando no se tiene una comunicación se
encuentra el botón de color rojo, el cuadro dice “Comunicación Perdida”, el candado se
encuentra cerrado, el cuadro del variador aparece vació como se muestra en la imagen 18.
Imagen 25. Pantalla inicial del sistema
En el momento de que realice una comunicación efectiva con el variador, la pantalla mostrara
los siguientes cambios: el botón cambiara al color verde, el cuadro dice “Comunicación
Establecida”, el candado se abre y el cuadro que se encuentra debajo de la palabra variador
muestra la referencia del variador que se encuentra conectado y de esta manera se habilita la
flecha para ir a la siguiente pantalla 2.8.2.
46
El signo de admiración que se encuentra en la parte superior derecha es la opción de entrar al
despliegue especial de administrador 2.8.4 en el momento en que se presione de manera
sostenida por 5 segundos el botón.
2.9.2. Pantalla Datos
Imagen 26. Pantalla donde se muestran los datos actuales del sistema.
Este despliegue muestra al frente de cada cuadro respectivamente la referencia, la frecuencia
de salida, voltaje de salida, corriente de salida y potencia consumida del motor.
El sistema reconoce automáticamente el voltaje del variador que se encuentra conectado (220
VAC o 440 VAC) lo cual se muestra en el cuadro que se encuentra ubicado debajo de la
palabra Variador, en este momento se oprime el botón activar, a continuación, el led indicador
pasa a verde si se encuentra activado correctamente el voltaje ya que el sistema cuenta con
una feedback el cual reconoce los contactores que se deben encontrar activados en el gabinete
de transferencia para cada voltaje respectivamente como se muestra en la imagen 19 (Ejemplo
para 440 Voltios), por lo tanto, se muestran mensajes de confirmación en el caso que todo se
encuentre conectado correctamente o por el caso contrario un mensaje de error si algún
contactor no está haciendo la re-alimentación respectiva el sistema como se muestra en la
imagen 20.
47
Imagen 27. Información que brinda el sistema sobre los contactores.
2.9.3. Pantalla Confirmación
Imagen 28. Pantalla de información de contactores del sistema.
Como su nombre lo indica este despliegue es la forma gráfica de confirmar si todos los
contactores entraron o no correctamente dependiendo de su voltaje, como se muestra en la
imagen 21, en caso de 220 Voltios se deben activar los contactores 2,3,5,7,8 y 10, en el caso
de 440 Voltios se activan el 1,4,6, y 9 en el caso de que el sistema detecte un error en el
despligue anterior 7.3 aquí se puede identificar el estado actual de los contactores de color
verde los activados y de color rojo los que no, con el fin de realizar las respectivas
verificaciones en el cableado de los contactores de la transferencia.
48
2.9.4. Test
Imagen 29. Pantalla de activación manual del sistema y cambio de parámetros.
Este despliegue tiene varios fines:
Activar manualmente los contactores de 220 VAC y 440 VAC en caso de que el variador
que este en periodo de pruebas no cuente con comunicación. Esta activación se realiza
por medio de una contraseña que se digita en el área de “Password”. Dependiendo de
la contraseña se activa 220 VAC o 440VAC. Acto seguido se oprime el botón activar
contactores como en el despliegue pasado el sistema muestra gráficamente si la
activación de los contactores del voltaje correspondiente de color verde cuando se
encuentra encendido y color rojo en caso contrario, y sus mensajes de error o
confirmación respectivos mostrados en la imagen 20.
Realizar cambios en el tiempo y la cantidad de datos que se toman en la memoria SD
integrada en el sistema para luego ser graficados o generados en una tabla para su
análisis.
En la parte del código como su nombre lo indica muestra el código que se está leyendo
del variador, es decir, la referencia del variador conectado actualmente.
49
3. Resultados
El primero resultado del proyecto es un protocolo de pruebas que se realizan a todos los
variadores y arrancadores suaves que pasen por el sistema de carga.
Se generó un formato de pruebas estándar donde se documenta paso por paso las pruebas
por las cuales debe pasar el sistema, se adicionan las gráficas generadas y un reporte desde
la parte técnica del funcionamiento del variador o el arrancador suave donde se observan
algunas fallas o condiciones importantes encontrados en las pruebas.
De igual manera se un concepto técnico final por el ingeniero que realizo las pruebas donde
aprueba o no el funcionamiento tanto a nivel de potencia, control y comunicaciones del variador
o arrancador suave.
Todo este informe es entregado al cliente con el fin de que conozca el proceso que se le realizo
al equipo.
A continuación, se muestran los formatos generados para las pruebas en variadores y
arrancadores suaves.
50
Imagen 30. Formato de pruebas para variadores
Corriente:
Voltaje:
Aprobado:
Formato de Pruebas Variadores
Cliente:
Referencia del variador:
Potencia:
Extraiga la memoria SD y copie el archivo con los datos almacenados
Detenga el motor del sistema de carga y ponga en marcha el motor de prueba y verifique
que el sentido de giro sea contrario al del motor del sistema de carga
Active la transferencia
desenergice el sistema de carga y el variador de prueba
Con el variador de prueba a 60 Hertz aumente el potenciómetro hasta que la corriente de
salida del variador alcance un nivel de 95%. Mantenga este nivel durante 5 minutos
Lleve el potenciómetro del sistema de carga al mínimo y detenga el sistema de carga
detenga el variador de prueba
Detenga el motor de prueba. Nota: En caso de que el sentido de giro sea el mismo en
ambos motores, realice la inversión utilizando la programación del variador o intercambie
dos fases de salida del variador con todo el sistema desenergizado
Ponga en marcha el variador de prueba y aumente la frecuencia de 10 Hertz en 10 Hertz
hasta llegar a 60 Hertz en intervalos de 1 minuto y verifique que la corriente de salida en el
variador se mantenga dentro del rango de vació del motor (30% a 40% de la corriente
nominal del motor)
Restaure el variador de la falla EF0 generada por el PLC
Ponga en marcha el motor del sistema de carga y verifique el sentido de giro.
Inicio de las pruebas
Conecte el equipo al sistema de carga (potencia y comunicación)
Energice el equipo de prueba
Verifique que el equipo establece correcta comunicación con el PLC y la HMI nominal.
Verifique que el potenciómetro de control de torque del sistema de carga se encuentre en el
valor mínimo
Energice el sistema de carga
Firma:
Fecha:
ingeniero Responsable:
No Aprobado:
Concepto Técnico Final
Grafica:
Observaciones Técnicas
Regrese la frecuencia del variador de prueba a 10 hertz y ponga en marcha el sistema de
carga, aumente el potenciómetro hasta que la corriente del variador de prueba llegue a 80%
Aumente la frecuencia de 10 hertz en 10 hertz hasta llegar a 60 hertz en intervalos de 2 a 5
minutos y verifique que la corriente de salida del variador se mantenga en 80%, en caso de
ser necesario ajuste el potenciómetro del sistema de carga
51
Imagen 31. Formato de pruebas para arrancadores suaves.
Corriente:
Voltaje:
Aprobado:
Energice el sistema de carga
Formato de Pruebas Arrancadores SuavesCliente:
Referencia del variador:
Potencia:
Inicio de las pruebasConecte el equipo al sistema de carga (potencia y comunicación)
Detenga el motor del sistema de carga y ponga en marcha el motor de prueba y verifique
que el sentido de giro sea contrario al del motor del sistema de carga
Detenga el motor de prueba. Nota: En caso de que el sentido de giro sea el mismo en
ambos motores, realice la inversión utilizando la programación del variador o intercambie
dos fases de salida del variador con todo el sistema desenergizado
Ponga en marcha el arrancador y verifique que la corriente de salida una vez estabilizada la
velocidad se mantenga dentro del rango de vació del motor (30% a 40% de la corriente
nominal del motor) durante 10 minutos
Aumente el potenciometro del sistema de carga hasta que la corriente de salida del
arrancador alcance un nivel de 95%. Mantenga este nivel durante 10 minutos
Energice el equipo de prueba
Verifique que el equipo establece correcta comunicación con el PLC y la HMI nominal.
Verifique que el potenciómetro de control de torque del sistema de carga se encuentre en el
valor mínimo
Active la transferencia
Restaure el variador de la falla EF0 generada por el PLC
Ponga en marcha el motor del sistema de carga y verifique el sentido de giro.
Lleve el potenciómetro del sistema de carga al mínimo y detenga el sistema de carga
detenga el variador de prueba
desenergice el sistema de carga y el variador de prueba
Extraiga la memoria SD y copie el archivo con los datos almacenados
Grafica:
Observaciones Técnicas
Fecha:
Concepto Técnico Final
No Aprobado:
ingeniero Responsable:
Firma:
52
A continuación, se muestran las gráficas obtenidas al realizar el protocolo de pruebas
propuesto en la imagen 30 para variadores, donde se muestra el comportamiento de un
variador de 30 HP a 440 V (Gráfica 8) y 40 HP a 440 V (Grafica 9).
Gráfica 8. Pruebas realizadas con protocolo 40 HP y 440
Gráfica 9. Pruebas realizadas con protocolo 30 HP y 440 V
Luego de culminar el proyecto de manera satisfactoria se realizan un total de 30 pruebas a
variadores de velocidad de diferentes potencias, con el fin de demostrar a nivel de tiempo las
53
mejoras significativas que trae la automatización de un sistema de este tipo, a continuación,
se presentan los resultados arrojados por estas pruebas:
Prueba N° Potencia del Variador
(HP) Antes del Sistema
(Minutos) Después del sistema
(Minutos)
1 10 60 48
2 10 54 48
3 10 63 48
4 15 62 48
5 15 60 48
6 15 42 48
7 15 60 48
8 15 63 48
9 20 70 54
10 20 72 54
11 20 68 54
12 20 69 54
13 20 74 54
14 20 73 54
15 25 72 54
16 25 70 54
17 25 81 54
18 25 82 54
19 25 79 60
20 25 81 60
21 30 78 60
22 30 82 60
23 30 80 60
24 30 89 60
25 30 88 60
26 40 92 66
27 40 91 66
28 40 90 66
29 50 98 66
30 50 97 66 Tabla 13. Resultados en tiempo de las pruebas realizadas a variadores.
54
Gráfica 10. Comparación del tiempo invertido en pruebas antes y después del proyecto para variadores.
Como se puede evidenciar en la gráfica 8 se obtuvo una mejora significativa en los tiempos
empleados para realizar estas pruebas en los variadores de velocidad lo cual pertenece a una
mejora del 25,26% lo que traduce para la empresa en un ahorro importante de dinero en horas
hombre utilizadas en estas pruebas lo cual asegura el retorno de la inversión.
De igual manera se adjuntan las 15 pruebas realizadas en arrancadores suaves, los cuales
muestran un comportamiento similar con un porcentaje igual al 22% como se muestra en la
gráfica 11.
Prueba N° Potencia del Variador
(HP) Antes del Sistema
(Minutos) Después del sistema
(Minutos)
1 15 60 51
2 15 65 51
3 15 65 52
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Tiem
po
uti
lizad
o e
n la
s p
rueb
as
(Min
uto
s)
Número de Prueba Realizada
Comparacion de tiempos empleados en pruebas de Variadores de Velocidad
Antes del Sistema Despúes del Sistema
55
4 15 60 51
5 15 60 51
6 20 60 52
7 20 65 52
8 20 68 52
9 20 65 51
10 20 72 51
11 20 68 52
12 20 69 51
13 25 72 50
14 25 71 50
15 25 70 50 Tabla 14. Resultados en tiempo de las pruebas realizadas a arrancadores suaves.
Gráfica 11. Comparación del tiempo invertido en pruebas antes y después del proyecto para arrancadores
suaves.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Tiem
po
uti
lizad
o e
n la
s p
rueb
as
(Min
uto
s)
Número de Prueba Realizada
Comparacion de tiempos empleados en pruebas de Arrancadores Suaves
Antes del Sistema Despúes del Sistema
56
4. Conclusiones
Los sistemas de potencia de baja tensión poseen una gran cantidad de mercado en diferentes
verticales de la industria por esto se hace importante realizar proceso de mejora y
automatización con el fin de mostrar los beneficios en cuanto a seguimiento, control y calidad
de procesos industriales automatizados, garantizando que proyectos estructurados y bien
ejecutados obtendrán un retorno de la inversión a corto, mediano o largo plazo.
El sistema de carga es en una herramienta para el control de calidad de los equipos debido al
diseño de un protocolo de pruebas estándar el cual permite la unificación de criterios para la
revisión de equipos, permitiendo al equipo técnico y a sus supervisores llevar un control más
óptimo del proceso realizado, garantizando su buen funcionamiento y generando tranquilidad
al cliente.
Con el uso de unidades regenerativas para aprovechar al máximo la energía retornada en un
sistema de carga se obtiene ahorro en el consumo de energía eléctrica durante el proceso de
pruebas de equipos, evitando posibles daños que pueda generar esta energía en el variador
de carga especialmente en el bus DC.
Las unidades regenerativas no solo representan un impacto positivo a la económica del usuario
si no también uno ambiental ya que son tecnologías que se empiezan a implementar en
edificios verdes e inteligentes, dando un salto tecnológico importante con respecto a la forma
más común de disipación de energía regenerada que son las resistencias, las cuales
transforman esta energía en calor al ambiente.
Este sistema tiene varias mejoras que se pueden implementar conforme va creciendo el
mercado para el banco de pruebas como mostrar las fallas presentadas por el variador de
57
prueba en la interfaz gráfica el cual permita generar un reporte de fallas como soporte adicional
de las pruebas realizadas.
De igual manera se pueden ensamblar diferentes tableros con otras marcas fabricantes del
PLC y HMI como Allen Bradley, Siemens, Omron entre otras de tal manera que se puedan
generar pruebas con varias comunicaciones como Ethernet IP, ControlNet, DeviceNet,
Profibus, Profinet, etc permitiendo tener un banco automático de pruebas funcional para
cualquier marca.
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5. Referencias
[1] C. M. L. Parra, “DISEÑO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA DETERMINAR LA
EFICIENCIA DE MOTORES DE INDUCCIÓN TRIFÁSICOS, UTILIZANDO LOS
MÉTODOS B y F DEL ESTÁNDAR IEEE112-2004,” Instituto Tecnológico Metropolitano,
2012.
[2] A. M. Mayor Duque, “Método de medición de la eficiencia en un motor de inducción
alimentado por variador de velocidad,” p. 109, 2015.
[3] SERGIO FABIÁN MUÑOZ SUÁREZ, D. F. G. MANTILLA, G. R. S. CRUZ, and
ESCUELA, “Instrumentación Y Control De Velocidad Para Un Motor De Corriente Alterna
En El Laboratorio De Control E Instrumentación De La E3T-Uis,” 2013.
[4] C. N. E, “Model No : 364TTFS4086,” pp. 4–7, 2018.
[5] P. T. Guide, “YASKAWA AC Drive.”
[6] “Weblet Importer.” [Online]. Available: http://www.rotaryencoder-
yumo.com/products/iha80-series-hollow-shaft-incremental-rotary-encoder-ID98.html.
[Accessed: 11-Apr-2018].
[7] Y. E. Corporation, “Complementary Type PG Installation Manual.”
[8] Y. E. Corporation, “YASKAWA R1000 Series.”
[9] C. N. Y, “Model No : 286THTNA7026,” pp. 1–7, 2018.
[10] E. C. Catalog, “Omega ® Elastomeric Couplings.”