diseño de sistema scada para laboratorio de máquinas

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

1-1-2005

Diseño de sistema Scada para laboratorio de máquinas eléctricas Diseño de sistema Scada para laboratorio de máquinas eléctricas

de inducción mediante Labview de inducción mediante Labview

Mauricio Alexander García Angarita Universidad de La Salle, Bogotá

Gabriel Andrés Rodríguez Rojas Universidad de La Salle, Bogotá

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Citación recomendada Citación recomendada García Angarita, M. A., & Rodríguez Rojas, G. A. (2005). Diseño de sistema Scada para laboratorio de máquinas eléctricas de inducción mediante Labview. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/574

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DISEÑO DE SISTEMA SCADA PARA LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS DE INDUCCION MEDIANTE LabVIEW

MAURICIO ALEXANDER GARCIA ANGARITA GABRIEL ANDRES RODRIGUEZ ROJAS

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C. 2005

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA UNIVERSIDAD DE LA SALLE

DISEÑO DE SISTEMA SCADA PARA LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS DE INDUCCION MEDIANTE LabVIEW

MAURICIO ALEXANDER GARCIA ANGARITA GABRIEL ANDRES RODRIGUEZ ROJAS

Tesis de Grado

Director

Luís Hernando Correa Salazar Ingeniero Electricista

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C. 2005

2


Nota de aceptación

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________ Ing. Luís H. Correa. Director del proyecto

_____________________________ Ing. Rafael Chaparro

_____________________________ Ing. Elkin R. Prieto A.

3


AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento a: Luís Hernando Correa, Ingeniero Electricista y Director del proyecto, A nuestros Padres y Hermanos por su incondicional apoyo.

La Universidad de La Salle no se hace responsable por el contenido de este trabajo de grado.

4


TABLA DE CONTENIDO LISTA DE TABLAS 9

LISTA DE FIGURAS 10

LISTA DE ECUACIONES 13

LISTA DE ANEXOS 14

GLOSARIO 15

INTRODUCCIÓN 17

ANTECEDENTES 18

OBJETIVO GENERAL 19

Objetivos específicos 19

1. QUE ES UN SISTEMA SCADA 201

1.1OBJETIVOS Y BENEFICIOS DE UN SISTEMA SCADA 21

1.2COMO SE CONSTRUYE UNA APLICACIÓN PARA UN SISTEMA SCADA 21

1.3 QUE NECESITA UN SISTEMA SCADA 22 1.4 PARAMETROS PARA LA IMPLEMENTACI ÓN DE UN SISTEMA SCADA 23

2. COMO SE ADQUIEREN LAS SEÑALES PARA UN SISTEMA SCADA 25

2.1 FUNCIONES 26

3. PROCESAMIENTO DE DATOS 27

3.1 SISTEMAS DE MEDIDA 27

3.2 SEÑAL ANÁLOGA 28 3.2.1 Modo 28

5


3.2.2 Referencia 28 3.2.3 Diferencial 29 3.2.4 Resolución 29 3.2.5 Rango 30 3.2.6 Ganancia 31 3.2.7 Frecuencia de muestreo 31

3.3 ENTRADA ANÁLOGA 32 3.3.1 AI sample Channel 32 3.3.2 AI Sample Channels 33 3.3.3 AI Acquire Waveform 34 3.3.4 AI Acquire Waveforms 35

3.4 SALIDA ANÁLOGA 36 3.4.1 AO Update Channel 36 3.4.2 AO Generate Waveform 36 3.4.3 AO Generate Waveforms 37

3.5 ENTRADA Y SALIDA DIGITAL 37 3.5.1 Write to Digital Line 37 3.5.2 Read from digital 38 3.5.3 Write to Digital port 38 3.5.4 Read from Digital port 39

4. SISTEMA SCADA DISEÑADO 41

6


4.1 MARCO TEÓRICO 41 4.1.1 Descripción general de un accionamiento 41 4.1.2 El motor Asíncrono 42 4.1.2.1 Motores de inducción de jaula de ardilla clase A 43 4.1.2.2 Motores de inducción de jaula de ardilla clase B 43 4.1.2.3 Motores de inducción de jaula de ardilla clase C 44 4.1.2.4 Motores de inducción de jaula de ardilla clase D 44 4.1.2.5 Motores de inducción de jaula de ardilla clase F 44 4.1.3 Arranque directo 45 4.1.4 Arranque conexión estrella triángulo. 46 4.1.5 Arranque con variador de velocidad. 48 4.1.5.1 El cambio de polos 48 4.1.5.2 El cambio de deslizamiento 48 4.1.5.3 La variación de la frecuencia 48 4.1.5.4 Característica de Par 49 4.1.5.5 Servicio en Paralelo con un solo Variador 50 4.1.5.6 Arranque y paradas Suaves 51 4.1.5.7 Protección Térmica 51 4.1.6 Arranque con voltaje reducido 52

4.2 PLANEACIÓN DE LA APLICACIÓN EN LABVIEW 53 4.2.1El módulo de arranque. 53 4.2.2 Módulo de adquisición de datos. 54

7


4.2.3 Módulo de procesamiento de datos 55 4.2.3.1 Index Array 55 4.2.3.2 Build Array 56 4.2.4 Módulo de visualización de datos 58 4.2.5 Módulo de almacenamiento de datos 59

5. EQUIPOS DISPONIBLES 63

6. DESPLIEGUES 64 6.1 ARRANQUE DE MOTOR CONEXIÓN DIRECTA 64

6.2. ARRANQUE ESTRELLA TRIÁNGULO PARA MOTOR DE DE INDUCCIÓN JAULA DE ARDILLA 66

6.3. ARRANQUE DE MOTOR POR MEDIO DE VARIADOR DE VELOCIDAD 67

6.4. GRÁFICA DE CORRIENTE PARA ARRANQUE DIRECTO Y/O ESTRELLA TRIANGULO 69

7. CONCLUSIONES 71

8. RECOMENDACIONES 73

9. BIBLIOGRAFÍA 74

A N E X O S 76

8


LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Características de los motores comerciales de inducción de jaula de

ardilla de acuerdo con la clasificación en letras NEMA. 42

9


LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Sistema DAQ interno 27 Figura 2. Tipo de conexión referenciada 28 Figura 3. Tipo de conexión diferencial. 29 Figura 4. Ondas utilizando dos convertidores análogos – digitales diferentes. 30 Figura 5. Dos ondas con rangos diferentes. 30 Figure 6. Adquisición de onda con diferente frecuencia de muestreo. 31 Figura 7. Icono para la adquisición de datos para una sola señal análoga (AI

Sample Channel) 32 Figura 8. Icono que representa una simple lectura de cada uno de los canales

específicos (AI Sample Channels) 33 Figura 9. Icono para obtener un número específico de muestras a una velocidad

específica de muestra a un solo punto de entrada. (AI Acquire waveform) 34 Figura 10. Icono de Adquisición de datos de los canales específicos y muestras a

una velocidad de barrido específico para todos los canales (AI Acquire Waveforms) 35

Figura 11. Icono usado para escribir un valor específico a un punto de salida

análogo del canal (AO Update Channel) 36 Figura 12. Icono que genera un forma de onda determinando la salida del canal

especifico, actualizando la velocidad (AO Generate Waveform) 36 Figura 13. Icono que toma el estado lógico que se introduzca (Write

to Digital Line) 37 Figura 14. Icono que lee de la línea digital (Read from Digital Line) 38

10


Figura 15. Icono de salida digital que Copia los datos a un puerto digital (Write to

Digital port). 39 Figura 16. Icono de entrada digital que lee desde Puerto digital 39 Figura 17. Curva de corriente vs velocidad para arranque directo 45 Figura 18. Curva de par vs velocidad para arranque directo de motor 46 Figura 19. Curva de un arranque estrella triángulo clásico 47 Figura 20. Curvas de pares típicos para a) Volante, b) Bomba de pistón y c)

ventilador 50 Figura 21. Características de par con variadores de velocidad. 50 Figura 22. Diagrama Eléctrico para convertidor de frecuencia 51 Figura 23. Icono que toma el estado lógico que se introduzca (Write to Digital

Line). ¡Error! Marcador no definido. Figura 24. Icono de Adquisición de datos de los canales específicos y muestras a

una velocidad de barrido específico para todos los canales (AI Acquire Waveforms) ¡Error! Marcador no definido.

Figura 25. Tabla de funciones de arreglos ¡Error! Marcador no definido. Figura 26. Construcción de un arreglo ¡Error! Marcador no definido. Figura 27. Inicialización de un arreglo 57 Figura 28. Estructura tipo Fórmula 58 Figura 29. Grupo de elementos 58 Figura 30. Matriz transpuesta 58 Figura 31. Tipos de gráficas utilizadas en el proyecto 59 Figura 32. Gráfica par vs tiempo en un tab de control 59 Figura 33. Función de archivo para entrada de datos 59

11


Figura 34. Ventana donde elige la carpeta para guardar el nuevo archivo 60 Figura 35. Archivo txt. donde son almacenados los datos 60 Figura 36. Estructura tipo CASE 61 Figura 37.Ventana de diálogo en el diagrama de bloques 61 Figura 38. Ventana de diálogo en la pantalla frontal 61 Figura 39. Menú de inicio 64 Figura 40. Arranque Directo 64 Figura 41. Arranque estrella triángulo para motor de inducción 66 Figura 42. Arranque con variador de velocidad 67 Figura 43. Gráfica de corriente 69

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LISTA DE ECUACIONES

Ecuación 1. Ancho de código o alteración a la entrada de voltaje 31

Ecuación 2. Velocidad de rotación de campo magnético 49

Ecuación 3. Matriz de arreglos ¡Error! Marcador no definido.

Ecuación 4. Construcción de arreglos ¡Error! Marcador no definido.

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LISTA DE ANEXOS

Anexo A Guía de laboratorio Nº 1 77 Anexo B Guía de laboratorio Nº 2 80 Anexo C Guía de laboratorio Nº 3 84 Anexo D Plano eléctrico de fuerza 1 88 Anexo E Plano eléctrico para arranque directo de motor 89 Anexo F Plano eléctrico para arranque estrella triangulo 90 Anexo G Plano Eléctrico para arranque con variador de velocidad 91 Anexo H Configuración del software para manejo de tarjetas de adquisición de datos 92 Anexo I Configuración del Hardware desde el MAX (measurement & Automation Explorer) 101

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GLOSARIO

ARRAY: arreglo BOARD: tarjeta madre BUNDLE. Conjunto CHANNEL. Canal CLUSTER: agrupación, grupo CPU: unidad de procesamiento central DAQ (Process of acquiring data): proceso de adquisición de datos típico para entradas análogas y discretas plug-in DISPLAY: presentación, pantalla DIVICE: Bahía donde se encuentra alojado la tarjeta dentro de chasis ELEMENT: elemento FLOPPY: unidad para discos de 3.5 in blandos INDEX: índice LED: diodo emisor de luz MAX (Measurement & Automation Explorer): es el que establece todos los parámetros de configuración de los dispositivos y de los canales, detectando todo el hardware de National Instruments. MESSAGE: mensaje SETPOINT: punto establecido SWITCH: interruptor

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TAB CONTROL: etiqueta de control TRANSPOSE: transpuesta WAVEFORM: gráfica en forma de curva WRITE TO SPREADSHEET FILE: enviar a un archivo de hoja de cálculo

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INTRODUCCIÓN

La intención en esté trabajo es explicar la construcción de un sistema SCADA desarrollado bajo el lenguaje de programación LabVIEW V.6.1 para obtener un sistema de control procesando la información adquirida a través de la CPU (unidad de procesamiento central) PC- NI PXI-8171 series, alojado en el chasis PXI 1042 y aprovechando las herramientas que se encuentran en el laboratorio de la facultad, almacenando toda esta información a través de unas guías teórico–prácticas para proporcionar tanto a profesores como estudiantes una herramienta básica en el desarrollo de estos sistemas de control. La razón por la que se propone este proyecto es por el amplio campo que ofrecen los sistemas SCADA, y por el auge de los sistemas de control de supervisión que cada día son de más frecuente en laboratorios e industrias e y motivar a nuevos estudiantes para que se familiaricen con el ambiente de programación gráfica que ofrece el software 6.1 de labVIEW. La Universidad lo está implementando para que los estudiantes se relacionen con mayor facilidad para una oportunidad laboral y que tiene muchas aplicaciones en su vida profesional como ingenieros desarrollando un ambiente propicio para elaborar el siguiente trabajo de grado. Además con el camino que se ha tomado por parte de la facultad para la acreditación, es bueno mostrar que la Facultad de Ingeniería Eléctrica cuenta con equipos de punta para el uso de los estudiantes y que se están implementando para dar mejores resultados a corto plazo.

En esté trabajo de grado se siguieron los lineamientos dictados por la Facultad de ingeniería eléctrica, de manera que la investigación se estructuró de la siguiente manera:

En el Capítulo 1 se aprecia todo lo concerniente a la construcción de un sistema SCADA para cualquier tipo de aplicación y para la realización de este trabajo de grado, estableciendo tanto objetivos, beneficios y necesidades que se requieren con él.

En el Capítulo 2 está desarrollada la teoría necesaria para comprender la adquisición de señales, de tal forma se pueda implementar sistemas básicos y

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complejos de monitoreo de motores de inducción trifásicos a través de los distintos métodos implementados actualmente en las industrias.

En el Capítulo 3 se describen los pasos a desarrollar del procesamiento de datos, los tipos de señales que se introducirán al software de LabVIEW, los iconos del diagrama de bloques, donde se relaciona el dispositivo en la cual se encuentra alojada la tarjeta de adquisición de datos.

El Capítulo 4 comprende el sistema SCADA diseñado para el laboratorio de la Facultad. Abordando un marco teórico de los arranques más usuales en la industria y describiendo cada uno de los efectuados en el programa, haciendo notar el logro de un módulo Teórico-Práctico que establece distintas formas de conexión y configuración para la instalación de Variador de Velocidad existente en el laboratorio de la Facultad de ingeniera eléctrica.

El principal objetivo de este trabajo especial de grado es el desarrollo de un módulo prácticas que sirva de apoyo para la realización de montajes de control de motores utilizando Variadores de velocidad. El resultado de esta investigación de campo con apoyo documental es un módulo con prácticas básicas que pueden ser modificadas y/o ampliadas según se requiera apoyado con la teoría necesaria para comprender y estimular inquietudes con respecto a los diferentes tipos de arranque, todo esto basados en las reglamentaciones existentes para la instalación sacando un mayor provecho de los equipos sin afectar las instalaciones vecinas con algún tipo de interferencias derivadas de la mala implementación de estos.

ANTECEDENTES Actualmente en la Facultad de ingeniería Eléctrica de la Universidad de la Salle existe una tesis “Prácticas reales y virtuales por medio de LabVIEW para laboratorios de ingeniería eléctrica”, mediante un sistema didáctico con guías específicas para simular las diversas contingencias, cambios y situaciones que se presentan en un laboratorio y que de manera remota se pueden monitorear”1. Está trata sobre la elaboración de unas prácticas virtuales para el laboratorio de ingeniería eléctrica enfocadas a máquinas de inducción, mediciones eléctricas y circuitos básicos modificando y analizando parámetros desde en LabVIEW. Debido a que tiene mucho campo esta herramienta como lo es la programación gráfica y que lidera National Instruments tanto en la industria, laboratorios de medicina, comunicaciones y universidades como la de los Andes, la Distrital, la

1 RIVEROS, S. y TORRES, C. Prácticas reales y virtuales por medio de labVIEW para laboratorios de ingeniería eléctrica. Bogotá D.C. Ingeniería eléctrica la Salle, 2003, p. Resumen

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Tecnológica de Pereira y la Salle, han presentado proyectos que son destacados a nivel latinoamericano dando un reconocimiento tanto al estudiante como al ente que lo apoya ya que esto implica el eficiencia, rapidez y calidad en el proceso. OBJETIVO GENERAL Desarrollar por medio de una herramienta de programación gráfica, un sistema SCADA que a través de la captura de algunos parámetros de una máquina de inducción, y el monitoreo de está permita a sus potenciales usuarios la validación de conceptos que se tienen en la teoría, y observarlos en la práctica. Objetivos específicos Diseñar un control de arranque y velocidad de un motor de inducción, en LabVIEW, a través de un variador de velocidad y obtener la curva de par – velocidad y observar el tipo de rampas de aceleración y desaceleración del motor de inducción, de acuerdo a la carga. Diseñar la curva en LabVIEW sobre un arranque “estrella-triángulo” para motor de inducción. Comprobar si la teoría para arranque de motores es similar a lo esperado en la práctica. Realizar en LabVIEW un módulo, orientado a la captura de señales de la curva par – velocidad, Cuando el motor arranca. Diseñar e implementar un conjunto de guías de laboratorio, que se citan a continuación: Análisis de los parámetros de un motor, al modificar su velocidad nominal. ¿Qué sucede? Determinar en cuanto se incrementa la corriente de arranque para un motor, conectado en “estrella-triángulo”. Determinación del par de arranque para un motor de inducción por medio de curva obtenida en el programa. Delimitación del problema

19


Durante el desarrollo del presente proyecto se espera delimitar el tema a motores de inducción sobre: Una fundamentación teórica sobre identificación de sistemas. Un diseño de interfaces gráficas, aplicables en instrumentación, control y posterior identificación de sistemas.

+

20


1. QUE ES UN SISTEMA SCADA El software de supervisión y monitoreo cuyo nombre genérico en ingles es SCADA viene de las siglas de "SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION"; es decir: Control supervisor y adquisición de datos. Es el encargado de obtener datos desde los diferentes dispositivos de control y llevarlos de forma clara y fácil a los operadores de proceso permitiendo una interacción directa con el sistema de control del mismo. Es una herramienta de gran uso en la supervisión y control de procesos desde la misma estación o desde un cuarto de control a una estación remota para así controlar cualquier tipo de proceso que se esté realizando. Una de las posibilidades de los sistemas SCADA, es simular procesos y probar estrategias de control sin necesidad de realizar una conexión física con los dispositivos reales del proceso, ofreciendo así una alternativa de verificación del sistema de control antes de la puesta a punto. Dentro del ambiente gráfico de los sistemas SCADA se encuentran herramientas para crear esquemas dinámicos que representen en tiempo real el estado del proceso, tales como gráficas, animaciones, cambios de color para una situación de alarma, desplazamientos de objetos, relleno de figuras etc. 0.0 OBJETIVOS Y BENEFICIOS DE UN SISTEMA SCADA Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada:

o Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes del proceso.

o Deben comunicarse con total facilidad y de forma rápida y precisa con el usuario para tomar decisiones con respecto al proceso que se está ejecutando.

o Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware y fáciles de utilizar con interfaces amigables con el usuario.

1.2 COMO SE CONSTRUYE UNA APLICACIÓN PARA UN SISTEMA SCADA

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Para diseñar un sistema de control para un proceso con LabVIEW se tienen que definir las características y especificaciones generales del proyecto; Luego se definen las tareas específicas de las aplicaciones generales. Posteriormente se delimitan las tareas que la aplicación debe realizar, desarrollando los subVIs o subprogramas que está necesita para desarrollar el proyecto final. Entre las tareas mencionadas cabe destacar:

o Definir exactamente los requerimientos del sistema. o Determinar claramente lo esperado por el usuario final. o Documentar la aplicación que debe realizar. o Preveer futuras modificaciones y adiciones.

Los parámetros del software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes:

o Configuración: Realizar la interfaces usuario-máquina en un entorno de trabajo amigable adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar.

o Interfaz gráfico del operador: proporciona al operador las funciones de control y supervisión del trabajo a realizar.

o Módulo de proceso: ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de los valores actuales de variables leídas.

o Gestión y archivo de datos: se encarga del almacenamiento y procesamiento ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.

1.3 QUE NECESITA UN SISTEMA SCADA La planificación de un sistema SCADA debe tener en cuenta los siguientes aspectos: o Es indispensable un PC con una buena capacidad de memoria 512 MB

SDRAM, con un procesador Intel Pentium III 1.26 GHz, para que los dispositivos que están instalados físicamente entre sí adquieran en tiempo real la captura de datos para ser monitoreados y controlados dentro del proceso. Este debe contar con una plataforma mínima requerida por el fabricante (Windows 2000 ó XP).

o Entre la amplia gama de software de programación para los sistemas SCADA

existentes en el mercado, se debe escoger el más apropiado de acuerdo a la

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aplicación que se desea, teniendo en cuenta una versión reciente que brinda más herramientas de trabajo y desarrollo. o La selección de LabView, se toma por ser una herramienta gráfica que

permite la simulación de la aplicación, además por ser una herramienta especializada para laboratorios.

o Configuración de un dispositivo de adquisición de datos, para este caso una

tarjeta DAQ (Data Acquisition) tipo multifunción desde MAX (Measurement & Automation Explorer).

o Selección de accesorios para las señales de Entrada y Salida en la DAQ (Data

Acquisition). o Los dispositivos que toman la información del proceso son los últimos

elementos de la estructura jerárquica de un sistema de control supervisor. Entre estos se encuentran: sensores fotoeléctricos, transductores, módulos RTU, termocuplas, etc.

1.4 PARAMETROS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA. 1.4.1 Configuración inicial. La puesta en marcha de un sistema de supervisión comienza con la configuración de las variables que se van a utilizar en él. Dichas variables pueden ser de entrada y/o de salida al/del sistema supervisor y éstas a su vez se dividen en análogas y discretas. No es necesario que todas las variables del dispositivo de control se manejen en el sistema supervisor, sólo se deben utilizar las variables que se quieren monitorear, registrar o controlar. Una vez configurados los puntos de entrada y salida (E/S) se deben crear los gráficos respectivos. Para el desarrollo de estos gráficos los sistemas SCADAcuentan con barras de herramientas para la creación de tanques, termómetros, tacómetros, switch, display, etc., que permiten construir un mímico dinámico del proceso a supervisar.

Generalmente los sistemas SCADA permiten la creación de librerías de gráficos con el fin de dar uniformidad a estos y facilitar la tarea de construcción gráfica. En un programa puede ir un icono asociado algún dato ó variable del proceso.

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Otra forma de visualizar el estado de las variables es por medio de reportes de los eventos durante un periodo de tiempo que pueden ser almacenados en el disco duro de 20 GB o en diskette a través de la unidad de floppy en medio magnético o simplemente imprimir el reporte de esos eventos con fines estadísticos o históricos. Se deben definir, para el sistema, las características de comunicación como velocidad de transmisión, seguridad, interfaces, protocolos y topologías del sistema supervisor con los dispositivos de control, los requerimientos de hardware que exige el sistema SCADA, los tipos de sistemas operativos en los que puede funcionar correctamente el SCADA, los tiempos de adquisición de datos y ejecución de tareas.

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2. COMO SE ADQUIEREN LAS SEÑALES PARA UN SISTEMA SCADA El flujo de la información en los sistemas SCADA es como se describe a continuación: las manifestaciones físicas lo constituye la variable que deseamos medir. Dependiendo del proceso la naturaleza del fenómeno es muy diversa: presión, temperatura, flujo, potencia, intensidad de corriente, voltaje, ph, densidad, etc. Este fenómeno debe traducirse a una variable que sea inteligible para el sistema SCADA; es decir, en una variable eléctrica. Para ello, se utilizan los sensores o transductores. Los sensores o transductores convierten las variaciones del fenómeno físico en variaciones proporcionales de una variable eléctrica. Las variables eléctricas más utilizadas son: voltaje, corriente, resistencia o capacitancia. Esta variedad de señales eléctricas debe ser procesada para ser arregladas por el computador. Para ello se utilizan acondicionadores de señal, cuya función es la de referenciar estos cambios eléctricos a una misma escala de corriente o voltaje. Además, proveen aislamiento eléctrico y filtro para la señal con el objeto de proteger el sistema de transientes y ruidos originados en el campo. Una vez acondicionada la señal, la misma se convierte en un valor digital equivalente en el bloque de conversión de datos. Generalmente, esta función se lleva a cabo por un circuito de conversión análogo/digital. El PC almacena esta información, la cual es utilizada para su análisis y para la toma de decisiones. Simultáneamente, se muestra la información al usuario del sistema, en tiempo real. Basado en la información, el operador puede tomar la decisión de realizar una acción de control sobre el proceso. El operador comanda al computador a realizarla y de nuevo debe convertirse la información digital a una señal eléctrica. Esta señal eléctrica es procesada por una salida de control, la cual funciona como acondicionadora de señal, proporcionándole una escala para manejar un dispositivo dado: bobina de un relé, setpoint de un controlador, etc. Para evaluar si un sistema SCADA es necesario para manejar una función de un proceso dado, debe cumplir con las siguientes características: a) El número de variables del proceso que se necesita monitorear debe ser alto.

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b) El proceso debe estar geográficamente distribuido. Esta condición no es limitante, ya que puede instalarse un SCADA para la supervisión y control de un proceso concentrado en un determinado sitio. c) Las información del proceso se necesita en el momento en que los cambios se producen en el mismo, o en otras palabras, la información se requiere en tiempo real. d) La necesidad de optimizar y facilitar las operaciones del proceso, así como la toma de decisiones. . e) Los beneficios obtenidos en el proceso justifican la inversión en un sistema SCADA. Estos beneficios pueden reflejarse como aumento de la efectividad de la producción, de los niveles de seguridad, etc. 2.1 FUNCIONES Dentro de las funciones básicas realizadas por un sistema SCADA están las siguientes: a) Recabar, almacenar y mostrar información en forma continua y confiable, correspondiente a la señalización de campo: estados de dispositivos, mediciones, alarmas, etc. b) Ejecutar acciones de control iniciadas por el operador, tales como: abrir o cerrar válvulas, arrancar o parar bombas, etc. c) Alertar al operador de cambios detectados en el proceso, tanto aquellos que no se consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria de eventos. Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis. d) Aplicaciones en general, basadas en la información obtenida por el sistema, tales como: reportes, gráficos de tendencia, históricos de variables, cálculos, predicciones, detección de fugas, etc.

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3. PROCESAMIENTO DE DATOS La tarea fundamental de un sistema DAQ (Data Acquisition) es la captura y medición de señales físicas del mundo real. Antes de que un sistema basado en computadores pueda medir una señal física, un sensor o un transductor deberán convertir las señales físicas en señales eléctricas, como voltaje o corriente. A diferencia de la mayoría de los instrumentos independientes, no se pueden conectar señales directamente a una tarjeta DAQ. Algún accesorio para acondicionamiento de señal debe acondicionar la señal antes que la tarjeta la convierta en información digital. Finalmente, el software controla el sistema adquiriendo datos, analizándolos y presentando los resultados.

3.1 SISTEMAS DE MEDIDA Los sistemas de adquisición de datos DAQ (Data Acquisition) se pueden clasificar como externos e internos, esto depende del sitio donde se encuentre la tarjeta de adquisición de datos. En algunos casos es conveniente tener un módulo transportable donde la tarjeta esté segura pero pueda ser retirada con facilidad, este montaje es práctico en aplicaciones de control remoto y medidas en campo. A un montaje de este tipo se le conoce como DAQ externo. El sistema DAQ interno es aquel donde la tarjeta está ensamblada en la CPU del computador y no se necesita transportar el equipo, este montaje es apto para lugares donde los fenómenos físicos vayan al sistema DAQ y la distancia no sea mayor a la longitud del cable conector de la tarjeta al módulo de medidas. Figura 1. Sistema DAQ interno

National Instruments.

27


Un sistema DAQ interno (ver Figura 1) es ideal para realizar mediciones en campo. 3.2 SEÑAL ANÁLOGA A una señal se le llama análoga porque es similar a la señal que representa y su magnitud puede ser de cualquier valor; es decir, que exhibe una variación de manera continua en su magnitud, sin embargo, estas señales no pueden ser capturadas por un computador, estas deben ser digitalizadas, pero consiguiendo una señal muy precisa que no distorsione el fenómeno cuantificado. Cuando se miden señales análogas con una tarjeta DAQ, (Data Acquisition) se deben considerar los siguientes factores que afectan la calidad de la señal digitalizada: modo, resolución, rango, ganancia, frecuencia de muestreo y ruido. 3.2.1 Modo. Se refiere al tipo de conexión que aceptan las terminales de la DAQ, las conexiones utilizadas para entradas análogas son dos. 3.2.2 Referenciada. En esta conexión las entradas del terminal común están referenciadas al mismo punto de tierra; es decir, todas las señales se conectan al mismo punto de tierra (Figura 2). Se recomienda utilizar esta conexión cuando: Las señales tienen una amplitud alta (mayores a 1 voltio). Los cables que corren desde la fuente de la señal hacia el hardware de la entrada análoga son cortos (menos de 4.5 metros). Todas las entradas comparten una referencia de tierra común. Figura 2. Tipo de conexión referenciada

National Instruments.

28


Si las señales no cumplen todas estas condiciones, se debe utilizar la conexión diferencial. 3.2.3 Diferencial. Cada entrada tiene diferentes potenciales con respecto a tierra. En esta conexión cada señal de entrada tiene su conexión a tierra independiente (figura 3). Note que ningún terminal está conectado directamente a la salida eléctrica de tierra. Se recomienda su utilización cuando:

o Las señales tienen magnitud muy baja (menor a 1 voltio). o Termocuplas, amplificadores aislados e instrumentos que especifique

una señal de salida de punto flotante.

o Cuando se requiera reducir o eliminar los errores causados por ruido, ya

que el ruido adquirido en modo común por las señales tiende a cancelarse2.

Figura 3. Tipo de conexión diferencial.

National Instruments. 3.2.4 Resolución. Es el número de bits usados para la representación de la señal análoga estableciendo la resolución del convertidor análogo a digital (ADC). Mientras mayor sea la resolución, mayor es el número de divisiones entre las cuales se divide el rango y, por lo tanto, menor es el cambio detectable en el voltaje (ver Figura 4). [Si se utiliza un convertidor de 3 bits (23), este dividirá el rango en 8 partes inutilizando demasiada información en la conversión y entregando una pobre representación de la señal. 2 NATIONAL Instruments Corporation . Measurements manual. Austin Texas. NI. 2000.capítulo 6. p. 3

29


Un convertidor ADC de 16 bits divide en 65.536 (216) partes el rango, detectando variaciones menores de voltaje, siendo así más precisa la representación del fenómeno físico (figura 8). En conclusión a mayor resolución mayor detección en el cambio de voltaje]3. Figura 4. Ondas utilizando dos convertidores análogos – digitales diferentes.

National Instruments 3.2.5 Rango. El rango se refiere a los niveles de voltaje máximo y mínimo que el ADC puede adquirir. Las tarjetas DAQ, (Data Acquisition) ofrecen rangos seleccionables (10, 5, 1, 0.1 voltios y monopolares de 0 a 10 voltios), por lo que se puede ajustar el rango de la señal de ese ADC para aprovechar al máximo la resolución disponible para medir la señal con mayor precisión (Figura 5). Figura 5. Dos ondas con rangos diferentes.

National Instruments. Ajustar el rango permite visualizar la onda con mayor detalle. La onda roja aprovecha todo el rango mientras la onda azul pierde espacio. Es muy importante definir un rango de entrada cercano al voltaje a capturar ya que será más preciso el sistema.

3 Ibid., capítulo 6. p. 4

30


3.2.6 Ganancia. La ganancia se refiere a cualquier amplificación o atenuación de la señal que pueda ocurrir antes de que la señal sea digitalizada. Al aplicar ganancia a la señal se disminuye efectivamente el rango de entrada de ADC, y por lo tanto, se permite que el ADC utilice tantas divisiones digitales como le sea posible para representar la señal. El rango, la resolución y la ganancia disponible en una tarjeta DAQ, (Data Acquisition) determinan el menor cambio detectable en la entrada de voltaje. Este cambio de voltaje representa el bit menos significativo (LSB) del valor digital y es usualmente llamado ancho de código. El cambio detectable más pequeño se calcula como: Ecuación 1. Ancho de código o alteración a la entrada de voltaje.

Nacional Instruments. 3.2.7 Frecuencia de muestreo. Determina que tan seguido van a ocurrir las conversiones análogo-digitales. Una frecuencia de muestreo rápida adquiere más puntos en un intervalo de tiempo determinado y por lo tanto puede ofrecer una mejor representación de la señal original que una frecuencia lenta. Todas las señales de entrada deben ser muestreadas a una frecuencia de muestreo lo suficientemente rápida para reproducir fielmente la señal análoga (Figura 6). Figure 6. Adquisición de onda con diferente frecuencia de muestreo.

Nacional Instruments. Se observa la misma onda pero muestreada a diferente frecuencia, se produce un fenómeno que distorsiona la verdadera frecuencia de la señal.

31


La frecuencia de muestreo debe ser por lo menos el doble del componente máximo de frecuencia contenido en la señal que se desea digitalizar. Por ejemplo, señales de audio convertidas a señales eléctricas generalmente tienen componentes de hasta 20 kHz; por lo tanto, se necesitará una tarjeta con una tasa de muestreo mayor a 40 kHz para adquirir la señal adecuadamente. Los transductores de temperatura por lo general no requieren de una tasa de muestreo alta, porque en la mayoría de aplicaciones la temperatura no cambia rápidamente. Por lo tanto, una tarjeta con frecuencia de muestreo menor puede adquirir señales de temperatura adecuadamente.

• Filtrado y acondicionado: El ruido no deseado distorsiona la señal análoga antes de que sea convertida en una señal digital. La fuente de este ruido puede ser interna o externa al computador. El ruido externo se puede limitar utilizando un acondicionamiento de señal adecuado. También se puede minimizar el efecto de este ruido sobre muestreando la señal y tomando el promedio de los puntos sobre muestreados. El nivel de ruido se reduce por un factor de números de puntos sobre muestreados:

Por ejemplo si se promedian 100 puntos, el efecto de ruido en la señal se reduce en un factor de 1/10. 3.3 ENTRADA ANÁLOGA LabVIEW es un programa adecuado para la adquisición de datos, entre otros motivos, por su total compatibilidad con las tarjetas de National Instruments.La interfaz gráfica ofrece una gran potencia de visualización de señales y dispone de librerías para el tratamiento de las señales adquiridas. LabVIEW ofrece una librería de adquisición de datos que proporciona al usuario una herramienta de fácil uso y que permite disponer de una mayor flexibilidad en cuanto al manejo de las tarjetas de adquisición de datos.

3.3.1 AI Simple Channel. Los VI’s de uso más común son los siguientes: Para adquirir una muestra de la señal conectada a la tarjeta DAQ se utiliza AI Simple Channel (Figura 7), este VI mide la señal conectada al canal especificado y regresa el voltaje leído. Figura 7. Icono para la adquisición de datos para una sola señal análoga (AISample Channel)

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Software de LabVIEW 6.1 nationals instruments.

o Device: es el número de dispositivo de la tarjeta DAQ.

o Channel: es una cadena de caracteres que especifica el número de canal de la entrada análoga.

o High Limit y Low Limit: especifican el rango de señal de entrada. Por

defecto, las entradas son ±10 V, para la tarjeta PXI 6070. Estas entradas también sirven como protección para la tarjeta ya que si en algún momento el voltaje excede este límite la tarjeta no lo aceptará y no sufrirá daños.

o Sample: es la salida del VI y contiene el valor de la muestra adquirida (Voltios, Grados, Ohmios, Hertz etc.)

3.3.2 AI Sample Channels. Para adquirir una muestra de varios canales análogos de una tarjeta DAQ, se debe utilizar AI Sample Channels (Figura 8). Mide las señales conectadas a múltiples canales y regresan los voltajes medidos en un arreglo unidimensional. Figura 8. Icono que representa una simple lectura de cada uno de los canales específicos (AI Sample Channels)



o Channel: es un cadena de caracteres que especifica el número de canal de la entrada análoga.

o High Limit y Low Limit: especifican el rango de señal de entrada.

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o Samples: es el arreglo de salidas que contiene los voltajes leídos. El orden

de los valores en el arreglo samples es en el orden de canales de la cadena de caracteres de canales. Por ejemplo, si los canales son 1, 2, 4,

o Samples [0] contendrá el valor leído en el canal 1, Samples [1]

contendrá el valor leído en el canal 2 Samples [2] el valor leído del canal 4.

En muchas aplicaciones, adquirir un punto a la vez puede no ser lo suficientemente rápido, además es difícil obtener un intervalo de muestreo constante entre cada punto porque la adquisición depende de un gran número de factores como la velocidad de ejecución del ciclo, llamadas de parámetros adicionales, etc. Ciertos VI’s permiten adquirir múltiples puntos a una velocidad mucho mayor que con AI Sample Channel. 3.3.3 AI Acquire waveform. Cuando se necesite adquirir un número específico de muestras a una determinada velocidad de muestreo se debe utilizar AI Acquire waveform (Figura 9). Al utilizar este VI se debe tener en cuenta la frecuencia de muestreo de la tarjeta y la cantidad de canales a utilizar. Figura 9. Icono para obtener un número específico de muestras a una velocidad específica de muestra a un solo punto de entrada. (AI Acquire waveform)



o Channel: es una cadena de caracteres que especifica el número de canal de la entrada análoga.

o Number of Samples: es el número de muestras a adquirir. o Sample rate: es el número de muestras a adquirir por segundo.


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o Waveform: contiene los datos muestreados y la información del tiempo. 3.3.4 AI Acquire Waveforms. Si se desea monitorear varios canales a la vez esto se debe hacer con el VI de entrada análoga AI Acquire Waveforms (Figura 10) que se pueden adquirir formas de onda desde varios canales con una sola ejecución. Este VI adquiere el número especificado de muestras a la velocidad deseada desde varios canales. Es muy importante recordar que la frecuencia máxima de muestreo de cada canal será la máxima especificada por el fabricante dividido por el número de canales a muestrear. Figura 10. Icono de Adquisición de datos de los canales específicos y muestras a una velocidad de barrido específico para todos los canales (AI Acquire Waveforms)

Software de LabVIEW 6.1 Nationals instruments.


o Channels: es el nombre de control del canal de la tarjeta DAQ especificando los canales análogos de entrada a medir. Una coma separa los canales en la cadena, por ejemplo 1, 2, 4.

o Number of samples/ch: es el número de muestras por canal a adquirir.

o Scan rate: es el número de muestras a adquirir por segundo, por cada

canal.


o Waveforms: es un arreglo de bidimensional donde cada elemento es un tipo de dato de forma de onda con los elementos en el arreglo en el mismo orden de los nombres de los canales.

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3.4 SALIDA ANÁLOGA La librería Analog Output contiene VI’s que ejecutan conversiones digital- análoga (D/A) o conversiones múltiples. Estos VI’s de salida análoga son equivalentes a los VI’s de entrada análoga. Los instrumentos más utilizados son. 3.4.1 AO Update Channel. Escribe un valor especificado de voltaje en un canal de salida análoga. Figura 11. Icono usado para escribir un valor específico a un punto de salida análogo del canal (AO Update Channel)



o Channel: es una cadena que especifica el nombre del canal de salida análoga.

o Value: es el voltaje a ser puesto en la salida.

o AO Update Channels: este VI escribe valores específicos de voltajes para

los canales que hayan sido configurados. Su salida values, es un arreglo unidimensional.

3.4.2 AO Generate Waveform. Con el VI AO Generate Waveform (Figura 12), se pueden generar varias muestras a velocidades más altas de las que el VI AO Update Channel puede alcanzar. Este VI genera una forma de voltaje en un canal de salida análogo a la velocidad especificada. Figura 12. Icono que genera una forma de onda determinando la salida del canal específico, actualizando la velocidad (AO Generate Waveform)

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o Channel: especifica el nombre del canal de salida análogo.

o Update rate: es el número de valores de voltaje a ser generados por segundo.

o Waveform: contiene los datos en voltios a ser escritos en el canal de salida

análogo. 3.4.3. AO Generate Waveforms. Es una estructura análoga a la anterior pero las salidas de voltaje pueden ser generadas por varios canales al mismo tiempo. Se debe tener en cuenta que la frecuencia máxima de muestreo para cada canal será: la frecuencia de muestreo máxima de la tarjeta divida en el número de canales utilizados. 3.5 ENTRADA Y SALIDA DIGITAL La señal digital es una forma alterna de representar una señal. Está ya no es continua sino discreta, es decir, solamente adopta unos y ceros. Una señal digital representa estados como on-off, verdadero-falso, alto-bajo. La librería de adquisición de datos Digital I/O contiene VI’s para leer desde o escribir hacia un puerto digital o una línea específica de ese puerto. 3.5.1 Write to Digital Line (Salida). Fija el estado lógico alto o bajo de una línea en particular en un puerto configurado por el usuario (Figura 13). Figura 13. Icono que toma el estado lógico que se introduzca (Write to Digital Line)

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o Digital Channel: especifica el puerto digital a ser empleado en la tarjeta DAQ.

o Line: especifica la línea digital a escribir.

o Line state: escribe un valor verdadero o falso a la línea determinada.

3.5.2 Read from Digital Line (entrada). Lee el estado lógico de una línea digital en un puerto configurado por el usuario (Figura 14):

Figura 14. Icono que lee de la línea digital (Read from Digital Line)



o Digital Channel: especifica el puerto digital a ser empleado en tarjeta DAQ.

o Line: especifica la línea digital que se desea leer.

o Line state: regresa el estado lógico de cierta línea.

3.5.3 Write to Digital port (salida). Saca un patrón decimal en un puerto digital especificado (Figura 15).

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Figura 15. Icono de salida digital que Copia los datos a un puerto digital (Write to Digital port).

Software de LabVIEW 6.1 nationals instruments

o Device: Es el número de dispositivo de la tarjeta DAQ.

o Digital Channel: Especifica el puerto digital a ser empleado en la tarjeta DAQ.

o Pattern: Especifica el nuevo estado de las líneas a ser escritas en el puerto.

o Port Width: Es el ancho total en bits que posee el puerto.

3.5.4 Read from Digital port (entrada). Lee un puerto configurado por él usuario (Figura16). Figura 16. Icono de entrada digital que lee desde Puerto digital (Read from Digital port)


o Device: Es el número de dispositivo de la tarjeta DAQ. o Digital Channel: Especifica el puerto digital a ser empleado en tarjeta

DAQ.

o Pattern: Despliega la lectura del canal digital en un número digital.

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o Port Width: Especifica el número total de bits en el puerto.

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4. SISTEMA SCADA DISEÑADO

Él diseño del sistema SCADA para laboratorio de máquinas eléctricas de inducción mediante LabVIEW, se presentó como una complementación a la simulación virtual ya que existe una tesis anterior a está, “PRÁCTICAS REALES Y VIRTUALES POR MEDIO DE LabVIEW PARALABORATORIOS DE INGENIERÍA ELÉCTRICA”;4 Además se integro con parte de accionamiento eléctricos, una de las características propias de ingeniería eléctrica y que hace fácil la programación para cualquier persona de la carrera, pero hay que tener algo de noción para poder programar. Comienza con el marco teórico de los diferentes tipos de arranque, la familiarización de la terminología y técnicas de programación del SOFTWARE V.6.1 con la cual se desarrolló el programa para monitorear algunos parámetros que tienen los motores de inducción trifásicos con los que cuenta el laboratorio de la Facultad y hace más atractivo el proyecto para el estudiante que se interese en adquirir bases para elaborar diseños en lenguaje G. Para empezar el proyecto se establecieron unos procedimientos con los cuales se comprobará conceptos adquiridos en clase.

0. Arranque directo de motor. 0. Arranque estrella triángulo. 0. Arranque por medio de variador de velocidad. 0. Arranque con voltaje reducido.

4.1 MARCO TEÓRICO

4.1.1 Descripción general de un accionamiento. Un accionamiento eléctrico es un sistema conformado para convertir la potencia eléctrica tomada de una red de fuente alterna en potencia mecánica para accionar una máquina de proceso de cualquier tipo. El convertidor electromecánico es él motor. En la mayoría de casos, las máquinas accionadas están integradas en procesos y esto requiere que la potencia se

4 RIVEROS, S. y TORRES, C. Prácticas reales y virtuales por medio de labVIEW para laboratorios de ingeniería eléctrica. Bogotá D.C. Ingeniería eléctrica la Salle, 2003, p.22

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transforme de acuerdo con lo que se pretende maximizar en el proceso, ya sea fijando pares y velocidades variables en el tiempo. Para lograr esto hay que asociar una serie de componentes al motor y definir cuál es el más conveniente. El tipo de accionamiento que se escoja debe satisfacer los requisitos de sus especificaciones de ingeniería. 4.1.2 El motor asíncrono. Es el motor que con mayor frecuencia se emplea en la industria. El fundamento de este motor es la formación de un campo magnético giratorio en el entrehierro del motor. Este campo lo genera el bobinado trifásico que se alimenta de una red de corriente alterna y cuya velocidad es proporcional a la frecuencia de alimentación. Él rotor de este motor contiene un bobinado que no cuenta con ninguna fuente de tensión ni de corriente y está cerrado. “Siempre que se encuentre un retraso (deslizamiento) entre la velocidad mecánica del rotor y la velocidad del campo magnético del estator, se induce corrientes en el rotor y aparece un par electromagnético”5. “Cuando el deslizamiento es nulo este par no existe por eso el motor funciona con una velocidad ligeramente inferior a la del campo magnético pero nunca se acerca a la misma”6. El motor asíncrono tiene dos prototipos que se diferencian en su rotor; uno es de rotor bobinado y el otro es de rotor en cortocircuito y es del cual se hablará en este trabajo. El motor de rotor en cortocircuito puede ser bobinado pero sin aislamiento y constituido por una jaula conductora (aluminio, cobre, aleaciones de cobre). Esta jaula es mas robusta mecánicamente y no está aislada respecto del núcleo magnético del rotor en el que va montado. Aun así se inducen corrientes necesarias para formación del campo magnético.

Para distinguir entre diversos tipos disponibles, la National Eléctrical Manufacturers Association (NEMA) ha desarrollado un sistema de identificación con letras en la cual cada tipo de motor comercial de inducción de jaula de ardilla se fabrica de acuerdo con determinada norma de diseño y se coloca en determinada clase, identificada con una letra. Las propiedades de la construcción eléctrica y mecánica el rotor, en las cinco clases NEMA de motores de inducción de jaula de ardilla, se resume en la siguiente tabla:

Tabla 1. Características de los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla de acuerdo con la clasificación en letras NEMA. (Con voltaje nominal)

5 HIRDMARSH B.Sc. Máquinas eléctricas y sus aplicaciones. Bilbao, 1975 p.368. 6 CHAPMAN Stephen. Máquinas eléctricas. Colombia, 2000 p.394, 406.

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Clase

NEMA

Par de arranque

(# de veces el

nominal)

Corriente de

Arranque

Regulación de

Velocidad

(%)

Nombre de clase

Del motor

A

B

C

D

F

1.5-1.75

1.4-1.6

2-2.5

2.5-3.0

1.25

5-7

4.5-5

3.5-5

3-8

2-4

2-4

3.5

4-5

5-8 , 8-13

mayor de 5

Normal

De propósito general

De doble jaula alto par

De alto par alta resistencia

De doble jaula, bajo par y baja corriente de arranque.

Máquinas eléctricas, Kosow

4.1.2.1 Motores de inducción de jaula de ardilla clase A. El motor clase A es un motor de jaula de ardilla normal o estándar fabricado para uso a velocidad constante. Tiene grandes áreas de ranuras para una muy buena disipación de calor, y barras con ranuras en el motor. Durante el periodo de arranque, la densidad de corriente es alta cerca de la superficie del rotor; durante el periodo de la marcha, la densidad se distribuye con uniformidad. Esta diferencia origina una alta resistencia y baja reactancia de arranque, con lo cuál se tiene un par de arranque entre 1.5 y 1.75 veces el nominal (a plena carga). El par de arranque es relativamente alto y la baja resistencia del rotor produce una aceleración bastante rápida hacia la velocidad nominal. Tiene la mejor regulación de velocidad pero su corriente de arranque varía entre 5 y 7 veces la corriente nominal, haciéndolo menos deseable para arranque con línea, en especial en los tamaños grandes de corriente que sean indeseables.

4.1.2.2 Motores de inducción de jaula de ardilla clase B. A los motores de clase B a veces se les llama motores de propósito general; es muy parecido al de la clase A debido al comportamiento de su deslizamiento-par. Las ranuras de su motor están embebidas algo más profundamente que el los motores de clase A y esta mayor profundidad tiende a aumentar la reactancia de arranque y la marcha del rotor. Este aumento reduce un poco el par y la corriente de arranque.

43


Las corrientes de arranque varían entre 4 y 5 veces la corriente nominal en los tamaños mayores de 5 HP se sigue usando arranque a voltaje reducido. Los motores de clase B se prefieren sobre los de la clase A para tamaños mayores.

Las aplicaciones típicas comprenden las bombas centrífugas de impulsión y los ventiladores.

4.1.2.3 Motores de inducción de jaula de ardilla clase C. Estos motores tienen un rotor de doble jaula de ardilla, el cual desarrolla un alto par de arranque y una menor corriente de arranque.

Debido a su alto par de arranque, acelera rápidamente, sin embargo cuando se emplea en grandes cargas, se limita la disipación térmica del motor por que la mayor parte de la corriente se concentra en el devanado superior.

En condiciones de arranque frecuente, el rotor tiene tendencia a sobre calentarse se adecua mejor a grandes cargas repentinas pero de tipo de baja inercia.

Las aplicaciones de los motores de clase C se limitan a condiciones en las que es difícil el arranque como en bombas y compresores de pistón

4.1.2.4 Motores de inducción de jaula de ardilla clase D. Los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla clase D se conocen también como de alto par y alta resistencia.

Las barras del rotor se fabrican en aleación de alta resistencia y se colocan en ranuras cercanas a la superficie o están embebidas en ranuras de pequeño diámetro. La relación de resistencia a reactancia del rotor de arranque es mayor que en lo motores de las clases anteriores.

El motor está diseñado para servicio pesado de arranque, encuentra su mayor aplicación con cargas como cizallas o troqueles, que necesitan el alto par con aplicación a carga repentina la regulación de velocidad en esta clase de motores es la peor.

4.1.2.5 Motores de inducción de jaula de ardilla de clase F. También conocidos como motores de doble jaula y bajo par. Están diseñados principalmente como motores de baja corriente, porque necesita la menor corriente de arranque de todas las clases. Tiene una alta resistencia del rotor tanto en su devanado de arranque como en el de marcha y tiende a aumentar la impedancia de arranque y de marcha, y a reducir la corriente de marcha y de arranque.

44


El rotor de clase F se diseño para remplazar al motor de clase B. El motor de clase F produce pares de arranque aproximadamente 1.25 veces el par nominal y bajas corrientes de arranque de 2 a 4 veces la nominal. Los motores de esta clase se fabrican de la capacidad de 25 hp para servicio directo de la línea. Debido a la resistencia del rotor relativamente alta de arranque y de marcha, estos motores tienen menos regulación de voltaje de los de clase B, bajan capacidad de sobrecarga y en general de baja eficiencia de funcionamiento. Sin embargo, cuando se arrancan con grandes cargas, las bajas de corrientes de arranque eliminan la necesidad de equipo para voltaje reducido, aún en los tamaños grandes7. 4.1.3 Arranque directo. Teóricamente no existe razón alguna por la que un motor no pueda arrancarse conectándolo directamente a la red de suministro. El inconveniente que se presenta, si así se hiciera, es que la corriente absorbida en el instante del arranque tomaría valores muy elevados, dependiendo que carga posee en su eje. Estas corrientes altas no perjudicarían el motor, siempre y cuando no se mantengan por mucho tiempo, pero si podrían dar lugar a una caída de tensión en la red, a su vez obtendrían un gran choque en la máquina arrastrada en el momento del arranque. Por consiguiente es mucho mejor efectuar el arranque del motor con otro tipo de sistema consistente en aplicar toda la tensión de línea a los bornes del motor por medio de un contactor. La corriente que absorbe suele tomar de cuatro (4) a ocho (8) veces la corriente nominal y de uno punto cinco (1.5) veces del par nominal de la máquina. En los motores de rotor de jaula de ardilla la reducción de la corriente de arranque está acompañada de la disminución del par de arranque siendo este no regulable. Figura 17. Curva de corriente vs velocidad para arranque directo

7 KOSOW I. Máquinas eléctricas. Colombia, 2000 p.356, 361

45


Telemecanique Figura 18. Curva de par vs velocidad para arranque directo de motor

Telemecanique.

4.1.4 Arranque conexión estrella triángulo. La mayor parte de los motores polifásicos se devanan con sus estatores conectados en delta. Existen fabricantes que ofrecen motores de inducción con el principio y el final de cada devanado de fase en forma saliente, con fines de conexión externa. En el caso de motores trifásicos se pueden conectar a la línea ya sea en estrella o en triángulo. Pero antes de que empiece a usar la conexión estrella-triángulo debe establecerse si el par de arranque del motor es lo suficientemente alto que el par resistente, ya que puede tener inconvenientes al momento de vencer la inercia en su eje. Pues los arranque estrella-triángulo son usados frecuentemente para reducir las corrientes de arranque o cuando se requiere un par motor especialmente bajo. Otro aspecto a tener en cuenta, es que la tensión de línea coincida con la tensión menor de los indicados en la placa de características del motor. Si durante el proceso de arranque se conecta el motor en estrella la tensión aplicada a cada bobina del estator se reducirá en 3 ≅ ( 58%), de la tensión de línea y consecuentemente, la intensidad que absorberá el motor será también 3 menor. Al ser reducción 3 en la tensión y 3 en la corriente se tendrá como resultado una disminución total ( 3 x 3 ) o sea de tres veces el valor de la corriente nominal equivalente al 30% del que tendría un arranque directo. Es posible arrancar un motor con poco más de la mitad de su voltaje nominal y a continuación hacerlo trabajar en triángulo, con el voltaje nominal de línea y fase.

46


Como el par varía de acuerdo con el cuadrado del voltaje aplicado al estator, la reducción del voltaje, cuando se conecta en estrella, producirá aproximadamente la tercera parte del par de arranque a pleno voltaje. Una vez que el motor haya alcanzado aproximadamente entre el 70 y 90% de su velocidad nominal se desconecta el acoplamiento en estrella para realizar la conmutación a la conexión triángulo. En esta condición el motor recupera sus características nominales, con una corriente pico de poca duración y no mayor a 2.5 de la corriente nominal. Por otra parte, el par de arranque pasa de 1.5 veces el valor nominal que se tenia en arranque directo, a 0.5 veces el nominal lo que aumenta la duración del periodo de arranque con respecto al que se obtiene en el arranque directo. La conmutación de estrella a Triángulo se debe hacer tan rápidamente como sea posible para eliminar grandes corrientes transitorias debidas a la pérdida momentánea de potencia. Por este motivo, se emplean interruptores de tres polos doble tiro con tensión de resorte y acción instantánea, en lugar de interruptores de cuchillas y temporizados para realizar el cambio lo más justo para evitar exceso de calor en el devanador, afectando así la vida útil del motor8. Figura 19. Curvas de un arranque estrella triángulo clásico.

Asea.

8 ASEA. A.C motors. Swenden Vâsterâs. February 1973

47


4.1.5 Arranque con variador de velocidad. Actualmente existe tres (3) métodos para variar la velocidad de un motor asíncrono y son los siguientes:

6. Cambio de polos 6. Variación del deslizamiento 6. Variación de la frecuencia.

4.1.5.1 Cambio de polos. En el cambio de polos existen dos métodos el primero es:

o El método de polos consecuentes. o Devanado de estator múltiples.

Es método es bastante antiguo, se basa en le hecho de que el número de polos en los devanados estatóricos se modifican con facilidad en relación 2:1 solamente y se efectúa cambiando la conexión de las bobinas. Ya que éstas son de muy corto paso (60º- 90º) en su mayoría. La desventaja del método de polos consecuentes para cambiar la velocidad es que las velocidades deben estar relación de 2:1. Para superar esta limitación se emplearon estatores de devanados múltiples con diferente número de polos, de los cuales sólo se energizaba uno en cada oportunidad. Por ejemplo, un motor podría ser devanado con grupos de cuatro y seis polos de devanados estatóricos y en un sistema de 60 Hz, su velocidad sincrónica cambiaría de 1800 a 1200 r.p.m. suministrando potencia al otro grupo de devanados. Pero es método de devanados múltiples aumentan el costo del motor y por eso su uso no es muy común. 4.1.5.2 El cambio de deslizamiento. Se logra con la variación de la tensión de alimentación en el estator, ya que el par desarrollado por un motor de inducción jaula de arilla es directamente proporcional al cuadrado del voltaje aplicado. Esto significa que si se aumenta el voltaje en el estator, se produce un aumento mucho mayor en el par y correspondientemente, una reducción en el desplazamiento, es decir el deslizamiento varía inversamente con el cuadrado del voltaje o en proporción al inverso del par y que también depende de la resistencia del rotor. Si una carga tiene una característica par-velocidad típica la velocidad del motor puede ser controlada en un rango muy limitado. Este método es usado por ser poco eficiente para máquinas de inducción. 4.1.5.3 La variación de la frecuencia. Es el método mas utilizado hoy por hoy, debido a su flexibilidad y las necesidades de la industria para regular la velocidad mecánica del motor y después, las magnitudes asociadas a ella y que requieren en la industria un ajuste para su aplicación.

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El principio de funcionamiento de los variadores de frecuencia se basa en la conversión directa c.a/c.a sintetizando una onda de menor frecuencia a partir de la alimentación polifásica de mayor frecuencia, conectando los terminales del motor periódicamente a las fases sucesivas de alimentación. Esto se logra mediante tiristores que suministran alternativamente la mitad positiva y la mitad negativa de cada ciclo a la carga exterior conectada, formando una nueva onda para entregar la frecuencia deseada. La velocidad sincrónica de un motor de inducción, en condiciones nominales se conoce como velocidad base. Utilizando un control de frecuencia variable es posible ajusta la velocidad del motor por encima o por debajo de la velocidad base. Sin embargo es importante mantener ciertos límites de tensión y par sobre le motor cuando varía la frecuencia para asegurar una operación confiable y no tener averías en el aislamiento de estator del motor. “Los principios de regulación de velocidad para un motor asíncrono de rotor en cortocircuito se basa en la fórmula que da la velocidad para un motor”9. Ya que sí se modifica la frecuencia eléctrica aplicad en el estator del motor, la velocidad de rotación de su campo magnético cambiará en proporción directa al cambio de frecuencia. Ecuación 2. Velocidad de rotación de campo magnético

Pfe

n120

=

En donde: fe Frecuencia del sistema, en Hz P Número de polos del rotor. s Deslizamiento de la máquina. n Velocidad de rotación del campo magnético en r.p.m. Estos convertidores de frecuencia permiten configuraciones desde una pantalla en la parte frontal o comunicándolo desde un PC a través de un kit de conexión (en este caso enlace serie RS485). Sus algoritmos de control vectorial de flujo se pueden ajustar a la aplicación de un motor asíncrono de potencia inferior que la del convertidor. 4.1.5.4 Características de par. Al accionar un motor con variador de velocidad, el par de arranque es diferente de la que se dan cuando se alimenta directamente

9 Ibid., p. 391.

49


de la red, y el tipo de carga mecánica que se encuentre acoplada en su eje, ya que no es lo mismo un par de arranque para un compresor que para una bomba. Figura 20. Curvas de pares típicos para a) Volante, b) Bomba de pistón y c) ventilador

a b c En donde: Macc = torque de aceleración

Mb = torque de carga

ASEA Figura 21. Características de par con variadores de velocidad.

Telemecanique. 4.1.5.5 Servicio en paralelo con un solo convertidor. La corriente nominal del variador debe ser superior o similar a la suma de las corrientes de los motores aguas abajo del variador y para seguir siendo óptimos los motores deben ser de igual potencia para que el rendimiento del par sea apropiado al regular el variador. Si los motores son de distinta potencia el reglaje del variador es incompatible con

50


los motores de menor potencia y él sobre-par a pequeña velocidad se reduce significativamente. 4.1.5.6 Arranque y paradas suaves. “Al arrancar y parar una carga con elevada inercia, un tiempo de ajuste corto para arranque y parada puede ocasionar el disparo del variador en tal caso se puede dar un tiempo mas largo de ajuste”10. 4.1.5.7 Protección térmica. Los variadores usualmente tienen una protección interna térmica, sin embargo, en algunos casos es necesario incorporar un relé térmico como por ejemplo:

o En servicio continuo fuera de la banda de 10-60 Hz. o Si el variador alimenta varios motores.

Figura 22. Diagrama Eléctrico para convertidor de frecuencia

En donde: Q1 Es la protección de sobreintensidad térmico-magnético. K1M Contactor AC3, para motores, norma IEC Z1 Filtro para reducir armónicos G1 Variador de velocidad G2 Dispositivo de frenado eventual 10 SCHNEIDER Electric. Drive Altivar 58 telemecanique. Colombia.2003. p.6

51


Automatización y distribución de energía, Moeller. Al accionarse esté arrancador, el contactor KM1 cierra los contactos principales dejando pasar energía a través del filtro que minimizan los armónicos Z1, y entrando en el variador de velocidad G1 hace que el el motor gire a la velocidad deseada. Y cuando es requerido un freno dinámico para cierta carga con inercia muy alta es conveniente instalar un módulo de resistencias de frenado que se seleccionan de acuerdo al fabricante del variador y al tipo de carga. 4.1.6. Arranque con voltaje reducido. Existen tres modos para reducir el voltaje en el arranque que son por medio de resistencias, impedancias y autotransformador, el principio es igual para todos ya que consiste en intercalar, en serie con el estator, un grupo entre la red de alimentación y el motor durante el periodo de aceleración, con el fin de reducir la tensión aplicada a los bornes del motor. Una vez transcurrido el período de arranque se eliminan el grupo aplicando la tensión total de la red al motor. El caso mas utilizado es de autotransformador Consiste en emplear un auto transformador conectado en estrella con las tomas variables precisas para ir aplicando al motor tensiones cada vez más crecientes para conseguir su arranque. A medida que el motor va acelerando, se pasa la conexión del mismo a sucesivas tomas del autotransformador, hasta llegara aplicar la plena tensión nominal al motor, y en ese momento se pone fuera de servicio el autotransformador. Normalmente se emplean autotransformadores con tomas que corresponden aproximadamente al 50, 65 y 80% de la tensión de red, con las que se obtienen, respectivamente, valores del 25, 42 y 64% de los pares que se obtendrían en arranque directo a plena tensión. Por otra parte, la corriente en el primario se reduce aproximadamente con el cuadrado de la relación de tensión del secundario al primario. Así se tiene que, si se desprecia la corriente magnetizante del autotransformador, las tomas de tensión del mismo proporcionarán intensidades de arranque del 25, 42 y 64% de las que se obtendrían con la tensión total. Con este sistema se obtienen características más favorables que las que se obtendrían con el arranque por resistencias estatóricas; es decir, se obtiene un par de arranque más elevado con una corriente pico menor, empleándose generalmente para el arranque de motores de elevada potencia. Además presenta la ventaja de no ocasionar pérdidas de potencia exteriores durante el arranque, aunque también presenta la particularidad de tener que desconectar el motor de la red durante el breve intervalo de la conmutación, lo que puede ocasionar una corriente transitoria elevada.

52


Al realizar un arranque por autotransformador debemos tener presente: El arrancador está conformado por el autotransformador, un contactor para alimentar éste a la red, uno o más contactores para aplicar las correspondientes tomas del autotransformador al motor y un contactor para alimentar el motor a plena tensión. 4.2 PLANEACIÓN DE LA APLICACIÓN EN LABVIEW En programación del proyecto se dividió en cuatro partes que son la pantalla de inicio y los tres tipos de arranque, a su vez los tres tipos de arranque se dividieron en cuatro módulos que son los siguientes:

o Módulo de arranque o Módulo de adquisición de datos. o Módulo de procesamiento de datos o Módulo de visualización de datos o Módulo de almacenamiento de datos

3.1.0 El módulo de arranque. Se muestra en la figura 23 está compuesto por salida digital [1] de la figura 23 identificado por el icono que toma el estado lógico que se introduzca, (Write to Digital Line), la cual es una señal discreta que solo adopta unos y ceros que representa off-on la cual se empleó para controlar un relé y mostrar una señal visual en el pantalla de los tres tipos de arranque del motor. La flecha con el número dos [2] de la figura 23 es el número de dispositivo, Device de la tarjeta DAQ que en nuestro caso corresponde a la bahía número 4. La flecha número tres [3] de la figura 23 nos señala el Digital channel donde se introduce el nombre de control del canal de la tarjeta DAQ especificando el canal de entrada o salida a funcionar; Y su máximo de canales permitido depende de la tarjeta DAQ PXI 6070E para no sobrepasarla, y de la bandeja (SCC 2345) donde se conecta las señales físicas o de campo. Estos canales pueden ser configurados desde el MAX (Measurement & Automation Explorer). La flecha número cuatro [4] de la figura 23 nos muestra un control booleano el cual esta conectado a Line Fijando así el estado lógico alto o bajo de una línea en particular en un puerto configurado por el usuario. La flecha número seis [6] de la figura 23 muestra una estructura While, se ejecuta hasta que la salida de este módulo sea detenida por el control booleano de Stop o por el mismo control booleano que energiza el motor. Figura 23. Módulo de arranque en el programa

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Software de LabVIEW 6.1 nationals instruments 4.2.2 Módulo de adquisición de datos. El objetivo de este módulo es emplear el instrumento virtual para tomar datos para cualquier tipo de arranque. Para el módulo de Adquisición de datos en el programa figura 24 se utilizaron dos AI ACQUIRE WAVEFORM flecha número uno [1] de la figura 24 localizadas en la paleta Funciones para la adquisición de las señales análogas de voltaje desde los módulos DL10065 y DL 10055, pasando por la bandeja SSC 2345 en el diagrama de bloques, configurándolos para esto de la siguiente forma que el Icono de Adquisición de datos de los canales específicos y muestras a una velocidad de barrido específico para todos los canales (AI Acquire Waveforms). La flecha número dos [2] de la figura 24 es el número de dispositivo, Device de la tarjeta DAQ que en nuestro caso corresponde a la bahía número 4. La flecha número tres [3] de la figura 24 se ve conectado unos Channels, es el nombre de control del canal de la tarjeta DAQ, (data acquisition) especificando los canales análogos de entrada a medir. Una coma separa los canales en la cadena, por ejemplo en nuestro caso Potencia, Corriente, voltaje y su máximo de canales permitido depende de la tarjeta DAQ PXI 6070E para no sobrepasarla, y de la bandeja (SCC 2345) donde se conecta las señales físicas o de campo a unos atenuadores de voltaje, que se configuran desde el SOFTWARE y también en la parte de HARDWARE si son necesario. Estos canales pueden ser configurados desde el MAX (Measurement & Automation Explorer) La flecha número cuatro [4] de la figura 24 muestra a Number of samples/ch, este es el número de muestras por canal a adquirir y para esto casos de potencia, corriente, voltaje velocidad y par se dejo por defecto el valor de 1000 muestras por canal adquirir. En su salida del icono AI ACQUIRE WAVEFORM sale en arreglo bidimensional donde cada elemento es un

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tipo de dato de forma de onda con los elementos en el arreglo con el mismo orden de los nombres de los canales. Figura 24. Módulo de adquisición de datos en el programa diagrama de bloques.

Software de LabVIEW 6.1 nationals instruments 4.2.3 Módulo de procesamiento de datos. Inmediatamente las señales son adquiridas por medio de un acondicionador de señal, (voltaje) ubicado en un canal del portador de módulos SCC2345 y al ser amplificadas para poder tener un valor real en el monitor. Ya que la información está en un paquete es preciso identificar la información que proviene de cada canal y para esto se empleo Index Array, (Tabla de funciones de arreglos) que muestra la flecha número uno [1] de la figura 25. Está función retorna el elemento indicado de un arreglo. Se debe adicionar tantos elementos de indice como dimensiones tenga el arreglo Ecuación 1. Matriz de arreglos

A 0,0 A 0,N-1

A i,j A M-1,0 A M-1N-10

LabVIEW, introducción básico I

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La flecha número dos [2] que muestra la figura 25 Index 0 con este se ubica el elemento y le da una dirección, para que identifique la fila se debe usar el primer terminal. La flecha número tres [3] que muestra la figura 25 son amplificadores de señales utilizados para mostrar en la pantalla frontal los valores de las magnitudes tomadas potencia, corriente, velocidad, etc. La flecha número cuatro [4] que muestra la figura 25 es una constante que se da para amplificar la señal adquirida de acuerdo a especificaciones dadas por D lorenzo. (Con los módulos 10065 y 10055). La flecha número cinco [5] que muestra la figura 25 es Build Array, que construye un arreglo de n dimensiones con los elementos de entrada que puede ser de n o de n-1 dimensiones. Ecuación 2. Construcción de arreglos

aM0, ... ai, … aN-1 a0, ... ai, … aN-1, b,c,d LabVIEW, introducción básico I Alguno de sus puertos de este icono son:

o array: Si una de las entradas es un arreglo.

o Element: Entrada de un elemento que puede ser de cualquier tipo de dato. Solo existe una restricción y es que todos los elementos que estén en la entrada deberán ser del mismo tipo de dato, ejemplo: Si el dato de un elemento es de tipo escalar los otros también deber ser de igual características.

o Appended array: enlaza los arreglos ajustándolos al tamaño de la función

que se requiere. Figura 25. Módulo de procesamiento de datos en el programa

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Software de LabVIEW 6.1 nationals instruments Otra función importante en el programa es Intialize Array ya que apenas comienza el muestreo de datos se definió que empezaran en cero todos los datos. Figura 26. Inicialización de un arreglo


o element: Dato con el deben comenzar la información en nuestro caso es cero.

o dimensión size: El primer terminal indica la fila y el segundo indica las

columnas.

o initialized array: crea un arreglo de n dimensiones en el cual cada elemento se inicia al valor del dato (element). Y ajusta la dimensiones con (dimension size) llevándolo a un almacenamiento de datos (cluster).

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En algunos casos donde tenemos la información necesaria para introducir ecuaciones, exponiendo los datos que se recopilaron, podríamos obtener el par máximo del motor para dar algo mas parecido a lo teórico y para esto fue utilizado la estructuras Formula Node para mirar el comportamiento con base a ecuaciones, constantes tomadas de catálogos y manuales de la máquina, variables que se adquirieron por medio de módulo de adquisición de datos que hablamos antes y obtenidos en la prueba en el motor como es el caso de la velocidad (r.p.m.). Figura 27. Estructura tipo Fórmula

Software de LabVIEW 6.1 Nationals instruments. 4.2.4 Módulo de visualización de datos. Se usaron dos tipos de gráficas para visualizar datos con la función XY graph para graficar la curva de par-velocidad en la cual acepta que contenga arreglo x y un arreglo y, para ingresarlos tiene que anteponer una función para agrupar los arreglos (Bundle). Figura 28. Grupo de elementos


o Cluster: es la entrada del almacenamiento de datos pero en nuestro caso no fue usado este conector.

o Componet 0: en este terminal se conecta el elemento del cluster o en en esté caso los valores pocesados de X y Y , que son transpuesto por la función Transpose 2D Array antes de introducirlos a la función Bundle.

Figura 29. Matriz transpuesta

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Software de LabVIEW 6.1 Nationals instruments. Para realizar una gráfica de dos dimensiones se debe introducir un cluster o se deben agrupar de acuerdo a su tipo información (Booleanos, numéricos, de punto flotante, enteros y de cadenas) estos se identifican por su color. Previamente se debe pasar por la función Index Array para organizar la información y la gráfica muestre los valores en sus respectivos ejes. Para las gráficas de corriente vs tiempo y par vs tiempo se empleo la función Index Array para adquirir la información directamente de la función Build Array y asi mostrar la gráficas de par y corriente respecto a el tiempo. A continuación mostramos las gráficas que se utilizaron: Figura 30. Tipos de gráficas utilizadas en el proyecto

Software de LabVIEW 6.1 Nationals instruments. Figura 32. Gráfica par vs tiempo en un tab control.

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Software de LabVIEW 6.1 Nationals instruments. 4.2.5. Módulo de almacenamiento de datos. Es la parte en la cual se envía la información conseguida para ser almacenada en un archivo plano (archivo en wordpad). Dando un formato al arreglo en una cadena de hoja de cálculo que para su análisis se puede exportar a un archivo xls, para su análisis . Para esto se empleó la función para manejar archivos de alto nivel (Write To Spreadsheet file). Figura 33. Función archivo para entrada de datos


o 2D data: En este terminal se introduce información con dos dimensiones. Además de esta función se emplea un función de selección a través de una estructura Case, en el cual estudiante elige si desea guardar o no los datos.

Figura 34. Ventana donde elige la carpeta para guardar el nuevo archivo.

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Software de LabVIEW 6.1 nationals instruments. Figura 35. Archivo TXT donde son almacenados los datos.

Windows. En donde la primera columna es la potencia adquirida en ese momento dada en vatios (W), la segunda columna es la corriente que se obtiene en ese momento dada en amperios (A), la tercera columna es voltaje de la red y que debe ser casi constante dado en voltios (V), la cuarta columna es la velocidad de rotación de la máquina en r.p.m y la quinta columna es el par de carga dado en newton por metro (Nm).

Figura 36. Estructura tipo CASE

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Software de LabVIEW 6.1 Nationals instruments. La estructura Case posee varios subdiagramas denominados casos de los cuales sólo se ejecuta uno, tiene un terminal de selección y un identificador de diagrama en la parte superior de la estructura. Ahora dependiendo del tipo de variable asociada al terminal de selección la estructura se comportará según el caso, si el valor es booleano la estructura tendrá dos casos FALSE y TRUE pero si es numérico o cadena de caracteres, la estructura (case) podrá tener desde 2 hasta (216 –1) casos. Para la aplicación desarrollada el terminal de selección es booleano donde el primer caso es TRUE y se encuentra la función Write To Spreadsheet file y el segundo caso se encuentra la función mensaje (message) y que sirve para advertir o preguntar al usuario si desea guardar o no la información. Figura 37. Ventana de diálogo en el diagrama de bloques

Software de LabVIEW 6.1 Nationals instruments. Figura 38. Ventana de diálogo en la pantalla frontal.


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5. EQUIPOS DISPONIBLES Los equipos que utilizamos y que estaban disponibles para trabajar con este sistema SCADA son los siguientes:

• Torre NI PXI-1042 • Tarjeta de adquisición de datos PXI 6070E • Motor serie DL1021 D Lorenzo • Generador serie DL1025 D Lorenzo • Variador de velocidad de 7.5 hp (altivar 18) • Módulo de medida de potencia, corriente y voltaje (D Lorenzo 10065) • Módulo de medida de velocidad y par (D Lorenzo 10055) • Módulo de estrella triángulo manual (D Lorenzo 2035) • Módulo de carga (D Lorenzo 1023) • Reóstato 387 Ω (D Lorenzo 17RHD) • Bandeja SCC 2345 con cable de comunicación • 2 módulos SCC-AI01 • 1 módulo SCC-AI02 • 1 módulo SCC-CO20 • 1 módulo SCC-DO01 • Fuente de voltaje 0-30 V Tektronics • Mutímetro digital Fluke • Pinza amperimétrica 30A • Relé auxiliar de 4 contactos a 24 V DC • Contactor de 9A AC3, bobina 110V

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6. DESPLIEGUES En este capítulo se mostrarán los módulos de arranques con las diferentes herramientas del software y que fueron empleadas en la ejecución de programa. En la pantalla de inicio se observan controles booleanos configurados cada uno y así ingresar a cada subVI y realizar la tarea asignada, encadenando también a otras rutinas. Figura 39. Menú de inicio

6.1. ARRANQUE DE MOTOR CONEXIÓN DIRECTA Figura 40. Arranque Directo

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En el subVI de monitoreo para arranque directo de motor de inducción con control e instrumentación, se observarán los diferentes estados del motor en un momento determinado. A continuación se indicará cada uno de los módulos que lo componen. Para mostrar varias gráficas se utilizó la función tab control ubicada en la paleta de controls Array & cluster.

1. Gráfica de par vs velocidad. 2. Gráfica par vs tiempo. 3. Gráfica corriente vs tiempo. 4. Gráfica par vs tiempo. 5. Indicadores de señales puras en milivoltios, algunos tienen una señal de

emergencia si pasan su valores nominales. 6. Es una agrupación de valores obtenidos de forma instantánea de potencia,

corriente, voltaje, velocidad y torque. 7. Indicador booleano que muestra si el motor es activo o no. 8. Indicador numérico que nos muestra el valor de par en ese momento. 9. Control booleano que manipula el encendido o apagado del motor.

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10. Control booleano que da comienzo para que el sistema de origen a

adquisición de datos. 0. Control booleano que permite enviar los datos de la tabla de registro a un

archivo plano. 0. Control booleano que detiene la toma de datos mas no controla el paro del

motor.

6.2. ARRANQUE ESTRELLA TRIÁNGULO PARA MOTOR DE DE INDUCCIÓN.

Figura 41. Arranque estrella triángulo

Para el sistema de monitoreo de arranque estrella triángulo se observarán los diferentes estados del motor, alarmas y parámetros adquiridos. A continuación se mostrará cada uno de los controles o indicadores que se utilizaron.

0. indicador numérico que muestra las señales puras obtenidas en este caso desde el módulo de medida de potencia DL 10065. y tiene la cualidad que cuando pasa de un valor límite preestablecido esta cambia de color y titilea para indicar una alarma.

0. Es una agrupación de datos adquiridos de forma instantánea en parámetros tales: potencia, corriente, voltaje, velocidad y torque en unidades para cada uno.

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3. Indicador numérico que muestra el valor del deslizamiento del motor. 4. Control booleano que enciende y apaga el motor desde pantalla;

únicamente desde aquí se manipula el motor. 5. Control booleano que permite enviar los datos de la tabla de registro a un

archivo plano. 6. Control booleano que detiene el muestreo de datos y que lo saca de esa

pantalla enviándolo a la pantalla de selección de arranques o inicio. 7. Indicador booleano que muestra si el motor está encendido o no. 8. Control numérico que permite ajustar la velocidad sincrónica del motor 9. Función tab control: se empleó para mostrar las diferentes gráficas para

no tener un número de despliegue mayor.

6.3. ARRANQUE DE MOTOR POR MEDIO DE VARIADOR DE VELOCIDAD Figura 42. Arranque con variador de velocidad

Este sistema de monitoreo para arranque por medio de variador de velocidad cuenta con las gráficas de par vs velocidad, corriente vs tiempo, par vs tiempo y velocidad vs corriente. Contiene otros controles para manipular la velocidad e indicadores. Muestran

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1. Indicador numérico que muestra si las señales adquiridas desde los

módulos D, Lorenzo antes de ser amplificadas, están funcionando y expresan si el valor en milivoltios es sobrepasado y así indicar mediante un cambio de color la anomalía.

0. indicador numérico que nos muestra en qué rango de frecuencia se está en ese momento dado en Hz.

0. Cluster de indicadores que almacenan valores adquiridos previamente y que hace fácil el manejo de la información para después bajarlo a un archivo.

0. Indicador booleano con animación estática que muestra si el motor es encendido o apagado.

0. Control booleano que enciende y apaga el motor desde pantalla, únicamente desde aquí se manipula el motor. No es como los anteriores que eran tipo interruptor.

0. Control booleano que permite enviar los datos de la tabla de registro a un archivo plano.

0. Indicador numérico tipo tacómetro que muestra el valor instantáneo de la velocidad del motor.

0. Indicador booleano que muestra, cuando está rojo, si el motor está encendido.

0. Control numérico tipo dial utilizado para subir o bajar la velocidad según que requiera el usuario. Esto actúa solo si el motor está encendido.

0. función tab control: se empleó para mostrar las diferentes gráficas y para no tener un número de despliegue mayor.

0. Control numérico digital para mayor precisión, también se empleará para subir o bajar la velocidad según que requiera el usuario. De igual forma actúa solo si el motor está encendido.

0. Indicador numérico que visualiza el valor en porcentaje del deslizamiento.

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6.4. GRÁFICA DE CORRIENTE PARA ARRANQUE DIRECTO Y/O ESTRELLA TRIÁNGULO Figura 43. Gráfica de corriente

En la figura No 38. Se muestra solamente el valor que toma la corriente de forma continua. Posee las siguientes herramientas para su control monitoreo.

1. Tiene dos controles booleanos: uno tipo interruptor (switch) que tiene la función de encender y apagar el motor y de paso comenzar con el muestreo.

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2. Indicador booleano que cuando se encuentra de color rojo señaliza que el

motor está funcionando y cuando cambia a verde nos indica que se encuentra en reposo.

21. Gráfica Waveform chart sólo sirve para un determinado grupo de datos como escalares o vectores de 1D. Para nuestra aplicación se escogió esta ya que tiene la posibilidad de mostrar punto a punto la información.

21. indicador numérico que muestra el último valor que toma.

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7. CONCLUSIONES

Las conclusiones a las que ha llegado este proyecto son las siguientes: Este trabajo de grado se utilizaron varios conceptos claves para la aplicación del programa de adquisición de datos, control de instrumentos registro de información y generación de reportes en forma mas rápida y versátil para el usuario dando una forma amigable y familiarizando así al estudiante con el sector industrial donde vemos cada vez mas monitoreo de procesos. Aunque existen muchos software para la creación de programas de monitoreo y control encontramos que LabVIEW es uno de los líderes a nivel mundial tanto en el nivel científico como industrial. Forjándonos a usar tecnología de punta y estar a la vanguardia con otros laboratorios de universidades del país. La información recolectada acerca de LabVIEW dejó claro que es una herramienta excepcional para la elaboración de proyectos, no sólo en máquinas eléctricas también en temas de comunicaciones ya que permite interfaces entre varios equipos de diferentes protocolos de comunicación. La realización del programa acentuó en que para llevarlo a cabo existen varios algoritmos a seguir antes de la construcción de este debido a que en el mismo programa debe ser amigable al usuario si se planea alguna modificación en el futuro exista facilidad en su introducción a el encadenamiento que se tiene o que este manejando dando así mayor organización al diagrama de bloques. Encontramos con la práctica del variador de velocidad la frecuencia varía como es de esperar y este a su vez trae unas consecuencias en las reactancia que hacen variar el deslizamiento máximo y a la vez el torque máximo creando una relación con la frecuencia de entrada. Con la practica de arranque con variador de velocidad se puede observar que al modificar la frecuencia del motor altera las reactancias del rotor y del estator, ya que la frecuencia esta en función de ellas. Y esto a la vez transforma el par máximo de arranque del motor de inducción. Esto se dedujo a partir de que al modificar la frecuencia de arranque se nota un cambio con respecto al arranque directo y analizando, el motor fue construido con una frecuencia base para su trabajo, entonces tomamos a la frecuencia de placa como base y se obtiene una relación para una nueva frecuencia que modificará las características nominales del motor ∝=Fvariador/Fbase.

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Este Trabajo de grado no sólo sirve para la los tres tipo de arranque que se habla aquí, sino que también se puede observar practicas de motor truncado y motor en vació puesto que necesita hacer ninguna modificación en el programa.

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8. RECOMENDACIONES

1. Para desarrollo futuro de algún programa en LabVIEW que tenga que ver con adquisición de torque, velocidad, corriente y potencia sobre cualquier tipo de máquina se transformador o motores se debe tener en cuenta la velocidad de muestreo ya que la tarjeta utilizada tiene 1.25M S/s y los módulos de D. Lorenzo es de 1S/s. 2. Motivar a los estudiantes a realizar proyectos de grado sobre monitoreo y control desde un PC dirigidos a la industria, ya que esta es una fuente de empleo para el profesional recién egresado y una vitrina para la facultad ya que la parte de control con pulsadores, selectores esta tendiendo a desaparecer. 3. Es recomendable una actualización del software LabVIEW 6.1 a la versión LabVIEW 7 Express debido a que esta es una versión con más pedagógica, amigable y rápida para tareas mas comunes de medición que evitan la utilización de funciones, VIs y minimizan el cableado en el programa. 4. Ya que la Facultad está orientada a utilizar este tipo de programación gráfica es bueno adquirir algunos TOOLKIT con distintas aplicaciones para el laboratorio de la Facultad y enfocados a posible proyectos en el futuro. 5. queda para el futuro una ampliación de los diferentes tipos de arranque y a su vez que la facultad de ingeniería eléctrica pueda adquirir mas equipos para mejorar las diferentes practicas mencionadas.

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9. BIBLIOGRAFÍA

CHAPMAN, Stephen J. Máquinas Eléctricas, 3 edición. Bogotá. McGraw-Hill, 2000 D, LORENZO. Catálogos y guías de conexión. D, lorenzo 1997 DANFOSS, . Drives and Controls Manual de operations. Danfoss 2002 FERNANDEZ, B. Convertidores de frecuencia. Edición 2 de 2001 FLOWER, L. Accionamientos Industriales Telemecanique 1995 HINDMARSH, J. (Eng) . Máquinas Eléctricas y su aplicaciones. URMO S.A. DE EDICIONES 2da edición inglesa 1975 Instituto Colombiano de Normas Técnicas Colombianas, Accionamiento eléctrico para motores asíncronos. NTC 2000 ICONTEC, Máquinas eléctricas rotatorias. REG 621/46 15/m18 KOSOW, Irving. Máquinas Eléctricas, 4 edición. Bogotá. 2000 LAZARO, Antonio Manuel. LabVIEW 61. Programación gráfica para el control de Instrumentación. Madrid: Paraninfo, 2003. MOELLER, Manual de esquemas. Moeller Vertrieb International GmbH 1999 NATIONAL INSTRUMENTS. Introducción versión 7.0. Austin: National Instruments edition 2003. NATIONAL INSTRUMENTS. Desarrollo versión 7.0. Austin: National Instruments edition 2003. NATIONAL INSTRUMENTS. User manual. Austin: National Instruments Corporation. Austin, Texas. NI 2000 NATIONAL INSTRUMENTS. Measurements Manual. Austin: National Instruments Corporation. Austin, Texas. NI 2000

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NATIONAL INSTRUMENTS. SCC configuration guide Austin: National Instruments Corporation Austin, Texas. NI 2000 NATIONAL INSTRUMENTS. Lookout Evaluation CD and Guide Austin: National Instruments Corporation OROZCO, Alvaro A. Curso Básico LabVIEW 6.1 Universidad Tecnológica de Pereira 2002 RIVEROS, Sonia. Prácticas Reales Y Virtuales Por Medio De LabVIEW para Laboratorios De Ingeniería Eléctrica. Facultad de ingeniería Eléctrica de la Salle 2003 SIEMENS, micromaster. Convertidores de Frecuencia Siemens cat. 2004 Telemecanique, Variadores de velocidad para motores asincrónos 1 a 400HP Disponible en Internet: <http://www.ni.com/latam> Disponible en Internet: <http://www.ni.com/measurements> Disponible en Internet: <http://www.esinstrumentacion.com> Disponible en Internet: <http://www.ni.com/lookout>

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A N E X O S

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Anexo A.GUIA DE LABORATORIO Nº 1

“ARRANQUE DIRECTO”

1.OBJETIVO GENERAL

Al desarrollar este laboratorio se tendrán como resultado las curvas de corriente vs tiempo, en el arranque y después de un t1 para varios intervalos de tiempo en este tipo de motor, con el cual cuenta el laboratorio de la facultad de ingeniería eléctrica. A este motor se le acoplará en su eje un generador como carga. 2. ELEMENTOS NECESARIOS PARA LA PRÁCTICA

o Chasis NI PXI 1042 o PC NI PXI-8171 Series o Tarjeta DAQ PXI 6070E o Portadores de módulos serie SCC 2345 o Cable de comunicación Aux 100 o Dos módulos de entradas análogas SCC-AI01 o Módulo de entrada análoga SCC-AI02 o Módulo de salida discreta SCC-DO01 o Fuente de voltaje 0-30 V Tektronics o Motor trifásico jaula de ardilla serie DL 1021 o Generador DC serie DL 1025 o Módulo de medida de potencia DL 10065 o Módulo de medida de Par velocidad DL 10055 o Módulo de carga DL 1023 o Módulo de protecciones 1013 o Contactor de 9A AC3 110V LC1 D09 o Relé auxiliar 4 Contact. 24V DC RHN412B o Base para relé auxiliar RHN RHZ21 o Pinza amperimétrica 30 A máximo o Multímetro digital Fluke

3. EXPLICACIÓN DE LA PRÁCTICA Se deben construir las curvas de corriente vs tiempo (corriente de arranque), Par - Velocidad , Par vs tiempo, teniendo en cuenta que el motor debe tener carga en su eje para que así se acerque a su corriente nominal. Con esto se confrontará si las curvas vistas en teoría son iguales o similares a las características de un motor del Laboratorio.

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3.1.Curva de corriente de arranque de motor DL 1021 Se obtendrá la curva de corriente vs tiempo bajo dos despliegues. El primero es con la captura de datos que son almacenados en una tabla para después ser analizados, la segunda es un SubVI exclusivamente para ver la gráfica sin guardar ningún tipo de datos y solo se puede observar la curva que se obtiene en es instante, para ser analizado. 3.2. Curva de Par – Velocidad Se obtendrá la curva de Par - Velocidad del motor DL 1021 a plena carga desde un TAB del panel frontal donde se puede observar la curva a través de los datos adquiridos en ese instante y que pueden ser almacenados en un archivo plano para después ser visto en un archivo de cálculo para su estudio. 4. DISEÑO DE LOS ELEMENTOS Para esta práctica se diseñaron varios despliegues observando varias curvas características en cuanto al arranque de un motor en directo sin ningún dispositivo para suavizar su arranque sus características en cuanto al arranque de un motor en directo sin ningún dispositivo para suavizar su arranque. 5. INSTRUMENTO VIRTUAL Este instrumento virtual hace la interfaz entre hombre - máquina para la operación, manipulación del motor y así obtener algunas gráficas para su posterior análisis. En este VI se empleó un interruptor booleano para encender el motor activando el módulo de salidas discretas y energizando la bobina del relé auxiliar para que este active sus contactos, así pase energía hacia el Contactor y este a su vez cierre sus contactos principales para que pase la energía necesaria que requiere el motor. Después de esto el usuario tendrá la oportunidad de observar en las gráficas los comportamientos del motor a plena carga obteniendo así un cuadro de datos que pueden ser guardados y analizados con mayor calma posteriormente. 6. ELEMENTOS NECESARIOS PARA LA PRÁCTICA En el eje del motor se debe acoplar un generador que sea compatible con la serie del motor que se encuentra en el laboratorio, a este generador se le debe excitar el campo desde un fuente DC y conectarlo en su salida a un banco de carga como

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resistencias o Inductancias El flujo y la salida del generador hay que revisarlos continuamente para no tener problemas o daños en el generador y la carga. 6.1. Realizar montaje Realice el montaje que se muestra en el plano 1 Y 3 (ver ANEXO D y E) 6.1.2 Duración de la práctica Aproximadamente treinta minutos 6.2. Toma de datos Los datos son recopilados en un archivo txt. que él usuario podrá guardar en la carpeta de documentos compartidos, o en un disco de 3.5” con algún nombre que el usuario recuerde. Los datos que el usuario guardo deben tener la forma de tabla como se muestra aquí:

potencia corriente voltaje Vel. Min-1 par

Tome varias medidas y parámetros mostrados y realice el análisis.

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Anexo B GUÍA DE LABORATORIO Nº 2

“ARRANQUE ESTRELLA TRIÁNGULO” 1. OBJETIVO GENERAL

Al desarrollar este laboratorio se tendrán como resultado las curvas de corriente vs tiempo, en el arranque y después de un t1 para varios instantes de tiempo en este tipo de motor y se comparará con el primer tipo de arranque con el cual cuenta el laboratorio de la facultad de ingeniería eléctrica. A este motor se le acoplará en su eje un generador como carga. 2. ELEMENTOS NECESARIOS PARA LA PRÁCTICA.

o Chasis NI PXI 1042 o PC NI PXI-8171 Series o Tarjeta DAQ PXI 6070E o Portadores de módulos serie SCC 2345 o Cable de comunicación Aux 100 o Dos módulos de entradas análogas SCC-AI01 o Módulo de entrada análoga SCC-AI02 o Módulo de salida discreta SCC-DO01 o Fuente de voltaje 0-30 V Tektronics o Motor trifásico jaula de ardilla serie DL 1021 o Generador DC serie DL 1025 o Módulo de medida de potencia DL 10065 o Módulo de medida de Par velocidad DL 10055 o Módulo estrella triángulo DL2035 o Módulo de carga DL 1023 o Módulo de protecciones 1013 o Contactor de 9A AC3 110V LC1 D09 o Relé auxiliar 4 Contact. 24V DC RHN412B o Base para relé auxiliar RHN RHZ21 o Pinza amperimétrica 30 A máximo o Multímetro digital Fluke

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3. EXPLICACIÓN DE LA PRÁCTICA

Se deben construir las curvas de corriente vs tiempo (corriente de arranque), Par - Velocidad, Par vs tiempo, teniendo en cuenta que el motor arrancará en estrella primero y luego pasará a triángulo creando un perturbación en su curva. Esto se realizará con el motor con carga en su eje para que así se acerque a su corriente nominal. Esto con el fin de confrontar si las curvas vistas en teoría son similares a las características de un motor del Laboratorio de la facultad. 3.1. Curva de corriente de arranque en estrella triángulo del motor DL 1021 Se obtendrá la curva de corriente vs tiempo bajo dos despliegues. El primero es con la captura de datos que son almacenados en una tabla para después ser analizados, la segunda es una gráfica exclusivamente para ver la gráfica sin guardar ningún tipo de datos y solo se puede observar la curva que se obtiene en es instante, analizando solo en ese intervalo de tiempo. Esta última gráfica sirve tanto para arranque directo como para un arranque estrella triángulo. 3.2 Curva de Par – Velocidad Se alcanzará la curva de Par - Velocidad del motor DL 1021 a plena carga desde un TAB del panel frontal con arranque estrella triángulo donde se observará la curva a través de los datos adquiridos en ese instante y que pueden ser recopilados en un archivo plano para después ser visto en un archivo de cálculo. 4. DISEÑO DE LOS ELEMENTOS

Para esta práctica se diseñaron varios despliegues para observar en varias curvas sus características en cuanto al arranque en estrella triángulo de un motor para que su corriente se comprimiera y su par de arranque sea menos severo que sin ningún dispositivo de atenuación realizando algo amigable para el usuario, bajo parámetros que solo se permiten realizar en programación gráfica y que sirven para mostrar como se están realizando los procesos en la industria. 4.1. Instrumento virtual

Este instrumento virtual hace la interfaz entre hombre-máquina. Al igual que el anterior muestran la operación, manipulación del motor y así obtener algunas gráficas para su posterior análisis. En este VI se empleó un interruptor booleano para encender el motor activando el módulo de salidas discretas y energizando la bobina del relé auxiliar para que este active sus contactos así pase energía hacia el Contactor y este a su vez cierre sus contactos principales para que pase la energía que requiere el motor.

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Después de esto el usuario tendrá la oportunidad de observar en las gráficas los comportamientos del motor a plena carga obteniendo así un cuadro de datos que pueden ser guardados y analizados con mayor calma. 5. PROCEDIMIENTO GENERAL DE LA PRÁCTICA. En el eje del motor se debe acoplar un generador que sea compatible con la serie del motor que se encuentra en el laboratorio, A este generador se le debe excitar el campo desde un fuente DC y conectarlo en su salida un banco de carga como resistencias o Inductancia El flujo y la salida del generador ahí que examinarlos seguidamente para no tener problemas o daños en el generador y la carga además se montará el módulo de estrella triángulo que opera manual y que es fácil y rápido de acoplar al montaje que se pretende realizar en esta práctica. 5.1. Realizar el montaje Realice el montaje que se muestra en el plano 2 y 4 (ver ANEXO D Y F)

5.1.2 Duración de la práctica Aproximadamente treinta minutos 5.2. Toma de datos Los datos son recopilados en un archivo txt. que él usuario podrá guardar en la carpeta de documentos compartidos, o en un disco de 3.5” con algún nombre que el usuario recuerde. Los datos que el usuario guardo deben tener la forma de tabla como se muestra aquí:


.

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5.3. Comparación de datos Compare los datos con el anterior tipo de arranque y saque conclusiones.

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Anexo C GUIA DE LABORATORIO Nº 3

“ARRANQUE CON VARIADOR DE VELOCIDAD”

1. OBJETIVO GENERAL Al desarrollar este laboratorio se tendrán como resultado las curvas de corriente vs tiempo, par –velocidad par - tiempo cambiando su frecuencia nominal y rampa de aceleración para obtener varios comportamientos con este tipo de elemento con el cual cuenta el laboratorio de la facultad de ingeniería eléctrica modificando un parámetro del motor,. A este motor se le acoplará en su eje un generador como carga para que opere a su corriente nominal. 2. ELEMENTOS NECESARIOS PARA LA PRÁCTICA.

o Chasis NI PXI 1042 o PC NI PXI-8171 Series o Tarjeta DAQ PXI 6070E o Portadores de módulos serie SCC 2345 o Cable de comunicación Aux 100 o Dos módulos de entradas análogas SCC-AI01 o Módulo de entrada análoga SCC-AI02 o Módulo de salida discreta SCC-DO01 o Fuente de voltaje 0-30 V Tektronics o Motor trifásico jaula de ardilla serie DL 1021 o Generador DC serie DL 1025 o Módulo de medida de potencia DL 10065 o Módulo de medida de Par velocidad DL 10055 o Módulo de carga DL 1023 o Módulo de protecciones 1013 o Variador de velocidad altivar 28 de 7.5 HP o Contactor de 9A AC3 110V LC1 D09 o Relé auxiliar 4 Contact. 24V DC RHN412B o Base para relé auxiliar RHN RHZ21 o Pinza amperimétrica 30 A máximo o Multímetro digital Fluke

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3. EXPLICACIÓN DE LA PRÁCTICA Se debe construir las curvas de corriente - tiempo (corriente de arranque), Par - Velocidad, Par - tiempo, teniendo en cuenta que el motor debe tener carga en su eje para que así se acerque a su corriente nominal con esto se confrontará si las curvas vistas en teoría son iguales o similares a las características de un motor del Laboratorio. 3.1. Curva de corriente de arranque de motor DL 1021 Se adquirirá la curva de corriente vs. tiempo bajo un despliegue. El cual captura los datos que obtiene de los módulos DL 10065 y DL 10055 y que luego son almacenados en una tabla para después ser analizados. 3.2. Curva de Par – Tiempo En este TAB se analiza otro tipo de gráfica mediante una estructura de formula (FORMULA NODE). En la cual es necesario introducir fórmulas, ecuaciones y para esto se elaboró ciertas pruebas a el motor DL 1021 que fueron las siguientes: Prueba de vacío, prueba de DC para determinar la resistencia del estator y la prueba de rotor truncado esta pruebas se realizaron con el fin de determinar algunos parámetros de este motor y que son necesarios para introducirlos en las ecuaciones y al entrada de la estructura. 3.3. Curva de Par – Velocidad Se obtendrá la curva de Par - Velocidad del motor DL 1021 a plena carga desde un TAB del panel frontal donde se puede observar la curva a través de los datos adquiridos en ese instante y que pueden ser almacenados en un archivo plano para después ser visto en un archivo de cálculo. 4. DISEÑO DE LOS ELEMENTOS Para esta práctica se diseñaron los despliegues para observar si varían más que el anterior ya que depende de que configuración posea el variador de velocidad en ese instante ya que sus características en cuanto al arranque de un motor son controladas suavizando su arranque. También cuenta con un panel frontal similar a los anteriores y que se hizo algo amigable para el usuario, bajo parámetros que solo se permiten realizar en programación gráfica.

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4.1. Instrumento virtual Este instrumento virtual hace la interfaz entre hombre-máquina para la operación, manipulación del motor y así obtener algunas gráficas para su posterior análisis. En este SubVI como en los anteriores se empleo un interruptor booleano para encender el motor activando el módulo de salidas discretas y energizando la bobina del relé auxiliar para que esté active sus contactos y así pase energía hacia el Contactor, a su vez cierre sus contactos principales para que pase la energía necesaria que requiere el motor, además cuenta con control numérico (dial) para aumentar o disminuir la velocidad del motor. Asimismo posee un indicador numérico que muestra la frecuencia del motor DL 1021 que se encuentra en ese momento. Después de esto el usuario tendrá la oportunidad de observar en las gráficas los comportamientos del motor a plena carga obteniendo así un cuadro de datos que pueden ser guardados y analizados con mayor calma en casa del usuario. 5. PROCEDIMIENTO GENERAL DE LA PRÁCTICA. En el eje del motor se debe acoplar un generador que sea compatible con la serie del motor DL 1021 que se encuentra en el laboratorio, a este generador se le debe excitar el campo desde un fuente DC y conectarlo en su salida a un banco de carga como resistencias o inductancias. El flujo y la salida del generador ahí que revisarlos constantemente para no tener problemas o daños en el generador y la carga. 5.1. Realizar el montaje Realice el montaje que se muestra en el plano 3 Y 5 (ver ANEXO G y H) 5.1.2 Duración de la práctica Aproximadamente cuarenta minutos 5.2. Toma de datos Los datos son recopilados en un archivo txt. que él usuario podrá guardar en la carpeta de documentos compartidos, o en un disco de 3.5” con algún nombre que el usuario recuerde.

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Los datos que el usuario guardo deben tener la forma de tabla como se muestra aquí:


Tome varios medidas y parámetros mostrados y analicé. 5.3. Ajustes al variador Modifique en el variador el tiempo de arranque (Rampa de Aceleración) y encuentre alguna aplicación especial para esta. Nota 1. Después de desactivar el variador esperé un minuto para desconectar sus cables de potencia y así evitar accidentes. Nota 2. Mayor información conexiones y ajustes de variador en manual al usuario para Altivar 28.

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Anexo H CONFIGURACIÓN DEL SOFTWARE PARA EL MANEJO DE TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Todas las tarjetas de adquisición de datos necesitan un software de control. Este control se puede llevar a acabo de tres formas distintas. La primera consiste en la programación directa de los registros. Es el método que permite mayor flexibilidad en cuanto a la capacidad de control, pero también es el más costoso y dispendioso en cuanto a tiempo y dificultad de programación. Otro método es utilizar un programa que controla una o varias tarjetas (Driver). Se trata de una serie de funciones que actúan sobre la programación directa de registros. Proporcionando la misma flexibilidad de programación que el anterior, pero el tiempo de desarrollo de la aplicación disminuye. Finalmente cabe la posibilidad de controlar la tarjeta a través de un programa de nivel superior a los anteriores. Esto permite el desarrollo de aplicaciones, en cuanto a representación y análisis se refiere. Un ejemplo de este método sería el control de la tarjeta a través de LabVIEW y el software del MAX. (Measurement & Automation explorer) MAX (Measurement & Automation explorer) es el programa que provee el acceso a las tarjetas de adquisición de datos, dispositivos GPIB, IMAQ, IVI, Motion, VISA Y VXI, con el MAX es posible configurar todo el software y hardware de National Instruments. UTILIDADES DEL CANAL MAX (Measurement & Automation explorer) El MAX puede ser cargado (Figura 10) desde el icono de acceso directo en el escritorio, desde el menú inicio>programas>National Instruments> Measurement & Automation o desde LabVIEW en el menú project DAQ wizards DAQ channel wizard.

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Figura 10.Ventana de lanzamiento del canal MAX

Al comenzar a trabajar el programa se observa la ventana que permite configurar un canal de adquisición de datos, en ella podemos encontrar:

• Data Neighborhood: En este menú se encuentran todas las herramientas para configurar un nuevo canal virtual o chequear que canales se encuentran configurados. Al hacer click sobre Data Neighborhood, en la parte derecha de la pantalla aparecen las instrucciones para realizar todas las acciones disponibles del sistema.

• Devices and Interfaces: Con esta herramienta podemos observar los dispositivos o tarjetas que se encuentran instalados en el computador o algún dispositivo externo que el sistema reconozca. También muestra los puertos serie y paralelo que están configurados para adquisición de datos.

• IVI instruments: Con este menú se pueden crear nombres lógicos para instrumentos virtuales y crear controladores (drivers) para instrumentos o hacer intercambio de datos.

• Scales: Sirve para crear escalas al momento de adquirir datos, estas escalas pueden ser lineales, polinomiales y de tablas, es un recurso muy útil para linealizar datos y convertirlos a formas que se puedan analizar fácilmente.

• Software: Nos provee información a cerca de los programas que interactúan con el MAX, como LabVIEW, NI- DAQ, IMAQ, VISA y en general el software de National Instruments.

CREACIÓN DE UN NUEVO CANAL Como se había dicho, para configurar un canal virtual se utiliza la herramienta Data Neighborhood, los pasos para dicha configuración son los siguientes:

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• Solo es necesario hacer click derecho sobre la palabra Data Neighborhood y aparecerán las palabras Create New (1), se da click en ellas y aparecerá una ventana donde se debe señalar la herramienta Virtual Channel (2) y para terminar se presiona en el botón Finish (3) (Figura 2).

Figura 2. Secuencia para ingresar a configurar un canal virtual nuevo

Al ingresar a configurar el canal virtual se debe definir exactamente que tipo de canal se va a utilizar, los tres tipos de canales son: Analog Input, Analog output y Digital I/O. Al escoger el tipo de canal solo es necesario presionar el botón siguiente ubicado en la parte baja de la ventana, este botón solo estará disponible cuando los datos solicitados por el sistema estén completos y no estén siendo utilizados. ENTRADA ANALOGA Después de escoger el tipo de canal Analog Input (4) (Figura 3), obligatoriamente se debe dar nombre al canal (5), si ese nombre ya existe aparecerá una ventana advirtiendo que ese dato debe ser modificado. La descripción del canal no es obligatoria, pero resulta útil para controlar los recursos utilizados. Al definir el tipo de sensor o medida que se utilizará (6) se debe tener conocimiento exacto del proceso que se monitoreará, se puede escoger Voltaje, Corriente, Resistencia, Frecuencia y Temperatura (seleccionando termocupla o RTD). El siguiente paso consiste en dar una unidad de escala (7), Voltios,

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Ohmios, Amperios, Hertz (menos para temperatura que da a escoger grados centígrados, Kelvin, Rankin Y Fahrenheit). Al definir la escala se debe verificar el rango (7), conviene tener especial atención con las señales de voltaje alterno por que son bipolares así que el mínimo será negativo y el máximo positivo, la magnitud de estos rangos está estrechamente ligada con el sensor utilizado y jamás debe ser superior a los rangos aceptados por la tarjeta de adquisición de datos. Otro de los aspectos a tener en cuenta es que el rango del canal virtual debe ser cercano al rango máximo de la señal con esto se aprovecha mejor el convertidor análogo – digital de la tarjeta Figura 3. Configuración de una entrada análoga (Analog Input)

Cuando se desea medir temperatura y se ha definido el rango, a los valores máximo y mínimo de temperatura les corresponden ciertos valores de voltaje que entregan las termocuplas (Figura 4), estos valores aparecen en la pantalla y advierten sobre si el sensor puede trabajar con estos valores, sino se puede trabajar con estos rangos es necesario volver y ajustar los límites máximo y mínimo para poder hacer una medición correcta. Es importante revisar los cambios mínimos detectables por el sistema y compararlos con estos valores para tener certeza que las lecturas serán correctas.

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Figura 4. Rangos de temperatura convertidos en voltaje de salida de la termocupla

Finalmente se deben escoger 3 parámetros para toda entrada análoga (8) (Figura 5).

• DAQ o dispositivo a utilizar: en este punto aparecen las tarjetas disponibles para manejar, solo basta señalarla para que funcione en dicha configuración.

• Canal a utilizar: a medida que se configuran canales el sistema por defecto reparte los recursos disponibles (es recomendable dejar que el sistema distribuya los recursos), cuando se han configurado todos los canales disponibles, ya no se puede seleccionar dicha casilla, y será necesario borrar algún canal.

• Modo: se refiere al tipo de conexión que se utilizará, (diferencial, referenciada etc) dependiendo del dispositivo que se este utilizando, es necesario conocer para que casos se utilizan estos tipos de conexión para sacarles el mejor provecho.

Estos pasos para la configuración de un canal virtual están estrechamente ligados con el hardware y la programación en LabVIEW, entre más se piense en que interactúen los tres al mismo tiempo se logrará un mejor resultado en las mediciones.

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Figura 5. Ventana final en la configuración de una entrada análoga

VERIFICACION DE CANALES UTILIZADOS Al estar configurado el canal, este aparecerá al presionar el signo “+” al lado izquierdo de Data Neighborhood, se pueden revisar las propiedades del canal y realizar un test para verificar su funcionamiento, al momento de señalarlo y utilizando la barra de herramientas o haciendo click derecho sobre el nombre del canal y escogiendo la opción deseada (Figura 6). Figura 6. Canal configurado listo para ser probado

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Al utilizar la ventana de test se puede verificar si existen errores en la configuración del canal virtual, estos se pueden solucionar presionando el botón Details que entrega una lista de errores y sus posibles soluciones. Cabe recordar que la información suministrada en el VI tiene que coincidir con la configuración del canal por ejemplo, nombre, dispositivo, entrada análoga, etc (Figura 7). Figura 7. Información que debe coincidir en ambos lugares

En algunas ocasiones aunque el canal está bien configurado y en modo de test se pueden observar bien los resultados, al hacer funcionar el VI la visualización de datos no es correcta, es necesario ajustar las herramientas de visualización gráfica o indicadores numéricos en auto escala y luego acomodar los rangos, en este punto todo depende de la habilidad del programador para sacar el mejor provecho de las herramientas utilizadas. SALIDA ANÁLOGA Esta es una opción que no esta disponible en todas las tarjetas de adquisición de datos. Esta opción es útil para realizar lazos de control cerrados o donde con la información adquirida (entrada análoga o digital) se tenga que realizar alguna acción como energizar un motor directamente o por medio de un operador. Las salidas análogas (Figura 8) de la tarjeta PXI 6070E son de voltaje (± 10 voltios) y de corriente (0-20mA y 4-20mA), estas señales salen por acondicionadores que pueden ser conectados directamente o a controladores que funcionen dentro de estos rangos.

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Figura 8. Tipos de salida análoga

La configuración de una salida análoga por medio del canal MAX, es igual a la configuración de una entrada análoga, el único cambio que se registra es que no se puede escoger el tipo de conexión (diferencial, referenciada etc). ENTRADA Y SALIDA DIGITAL Las entradas y salidas digitales muestran estados en que se encuentran los elementos (on-off, alto-bajo, 1-0). Las entradas digitales pueden ser la señal de un interruptor (abierto-cerrado), un tren de pulsos o señal TTL (0-1) y las salidas pueden ir conectadas a un led (prendido-apagado). Para la configuración en el canal MAX se debe escoger la opción Digital I/O en la ventana del tipo de señal (Figura 9), paso seguido se escoge si va a ser una entrada (READ) o salida (WRITE) y por donde entrarán o saldrán los datos, puerto (PORT) o línea (LINE), esta opción debe ir ligada con el VI de adquisición de datos que se configuró en el diagrama de bloques de LabVIEW. Finalmente si se ha configurado por línea, se podrá escoger en que pin será conectada la señal, si fue configurada por puerto no estará disponible esta opción. Es importante tener presente al momento de hacer conexiones el manual de uso de la tarjeta, ya que este muestra el modo de conexión de los elementos, es decir

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en que pin se encuentra la entrada y la tierra o el pin de salida de voltaje y su conexión. Para la salida digital cabe recordar que el voltaje que entrega la tarjeta proviene de la fuente de voltaje del computador y si se presenta algún corto circuito esta fuente puede resultar averiada. Figura 9. Configuración de una entrada o salida digital

Para este tipo de señal también existe un tablero de prueba (test) donde puede ser probado el estado alto o bajo de la señal entrante o saliente.

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Anexo I CONFIGURACION DEL HARDWARE DESDE EL MAX (Measurement & Automation Explorer)

Para configurar cualquier dispositivo (SCC) existe unos pasos a seguir para que las conexiones del hardware se efectúen apropiadas al módulo y preparar un canal virtual en el Software del MAX. (Measurement & Automation Explorer) . Equipos y software necesario: - LabVIEW y Measurement & Automation Explorer - Tarjeta de adquisición de datos PXI 6070 E (DAQ) - SC-2345 Bandeja porta módulos - PC NI PXI 8176 - Chasis PXI 1042 - Módulos SCC-**** Instrucciones de Configuración: 1. Conectar el dispositivo DAQ (tarjeta 6070E) y SC-2345 a través de cable para comunicarlos. 2. Clasificar que tipo de módulos son los que se requieren para adquirir las señales ya sea de voltaje o de corriente. 3. Insertar el o los módulos en uno de los conectores de la entradas análogas en los bandeja porta módulos SC-2345 (conectores J1–J8). 4. configurar los dispositivos SCC. Desde el MAX (Measurement & Automation Explorer). 5. Abra la ventana el MAX (Measurement & Automation Explore) donde se puede configurar y probar los módulos ubicados en la bandeja SCC2345. 6. Al activar el botón izquierdo del ratón en el “+” al lado de “los Dispositivos e Interfaces” en el lado izquierdo de la pantalla para mostrar todos los dispositivos de National Instruments que se encuentran instalados actualmente en PXI 1042

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figura 1. Dispositivo de interfaces

Al desplegar una ventana de la pantalla configuración (Configuration) seleccione con el botón derecho de ratón “Propiedades” en el menú que muestra la figura 1. 7. pulse el botón en la etiqueta desplegable de la caja del diálogo que aparece. En la siguiente figura 2 (figura 2.) figura 2. configuración del dispositivo

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8. Seleccione SC-2345 del menú y pulse el botón configurar (Configure) en le muestra una caja del diálogo similar al mostrado en la figura siguiente. figura 3. configuración del dispositivo

9. Pulse el botón en el número del conector en el que el instalo el modulo SCC-**** y pulse el botón de Agregar (Add). Se podrá seleccionar el módulo SCC-AI02 de un menú desplegable que aparece allí . El nombre del módulo debe aparecer ahora al lado del número del conector en el lugar vació (Empty). Figura 4. Agregar

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11. En la última pantalla, verifica que el dispositivo que selecciono anteriormente, se encuentre en el lugar vació (Empty) Puede encontrar este número en el espacio del conector debajo del módulo. Por ejemplo, conector J1 corresponde para direccionar al canal 0. Esta información también se ilustra en la siguiente figura. figura 5. SC-2345

12. LOS MODULOS SCC-AI** La serie de módulos SCC-AI son de doble canal, análogo, sirven para leer voltajes de entrada de ± 50 mV a ± 42 V y 24 V Cada módulo de SCC-AI contiene instrumentos como; amplificador, filtro pasa bajos (lowpass), y un potenciómetro para la calibración de estos en la parte superior. los módulos proporciona un voltaje de aislamiento de 300V de trabajo a una temperatura ambiente de 20ºC. Cuando se instala un módulo de SCC-AI en la bandeja SC-2345, el portador (SCC 2345), enruta las señales de entrada a los dos canales de la siguiente manera: El dispositivo SCC 2345, encauza X y X+8, donde X es el canal 0 y x+8 es el canal 8.

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figura 6. Esquema interno del módulo SCC AI**

13. LOS MODULOS SCC-CO** Los SCC-CO20 Solo tiene una dirección de corriente que proporciona 20mA y proporciona un voltaje del funcionamiento seguro de 300V. Puede conectar dos módulos de estos en paralelo para obtener 40mA Los SCC-CO20 solo se pueden instalar en los conectores de ganancia análogo, J17 y J18 ubicados en la bandeja porta módulos SC-2345. Modulo utilizado para control de velocidad del motor. figura 7. Módulo de salida análoga de corriente

Modulo utilizado para control de velocidad del motor.

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Figura 8. Esquemas de conexión módulo SCC CO20

14. MODULO DE ENTRA O SALIDAS DIGITALES Figura 9. SCC-DO01

Los módulos digitales son usados para cambiar dispositivos externos. Los SCC-DO01 maneja voltajes de hasta 24 VDC e incluye un estado para la comprobación visual del estado de módulo a través de un led. Además incluye un interruptor externo con cuál se puede configurar el l módulo alto o bajo. Los SCC-DO01 deben conectarse dentro de la SC-2345 en un conector entre J9 y J16.

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15. Chasis NI PXI-1042 Series PXI

El chasis PXI 1042 es una plataforma para instrumentación modular que ofrece características eléctricas, mecánicas y de software para aplicaciones de adquisición de datos y automatización industrial.

Figura 10. chasis PXI 1042

Extiende 0 a 55 °C el rango que opera (PXI-1042) Bajo 43 dBA las emisiones acústicas (PXI-1042Q) AUTO/HIGH ventilador para optimizar la refrigeración y las emisiones acústicas Una CPU PC-NI PXI 8176 con procesador Pentium III 1.26 GHz y una capacidad de memoria de 512 MB 16. TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS Todo proceso necesita el tratamiento de señales que proporcionen información acerca de fenómenos físicos. Generalmente la cantidad de información es grande y se necesita una alta velocidad de procesamiento, un computador es ideal para realizar esta tarea debido a su alta velocidad de procesamiento sobre grandes

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cantidades de información. El dispositivo utilizado para adquirir estas señales es la tarjeta de adquisición de datos, este elemento permite al computador adquirir señales digitales o análogas y otras funciones como contadores y temporizadores. 17. NI PXI-Tarjeta 6070E Esta es una tarjeta multifuncional (Figura 11) de entradas y salidas análogas y digitales, contadores y temporizadores. Agrega sensor y capacidad de medida de alto-voltaje. El NI PXI-6070E usa la tecnología para entregar datos fiables hasta de 1.25 MS/s. Figura 11 PXI- Tarjeta 6070E

Entradas análogas 16 SE / 8 DI Velocidad de muestreo 1.25 Ms/s Salidas análogas 2 Entradas y salidas discretas 8

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diseño de sistema scada para laboratorio de máquinas

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