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CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -CONCYT-

SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -SENACYT-

FONDO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA -FONACYT-

UNIVERSIDAD GALILEO

INFORME FINAL

“DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE UN INSTRUMENTO VIRTUAL PARA

MONITOREO, ANALISIS Y ESTUDIO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE

BAJA TENSIÓN EN LA INDUSTRIA GUATEMALTECA”.

PROYECTO FODECYT No. 011-2012

Ing. Freddy Armando Velásquez Girón

Investigador Principal

Guatemala, Marzo 2014

AGRADECIMIENTOS

La realización de este trabajo ha sido posible gracias al apoyo financiero dentro del

Fondo Nacional de Ciencia y Tecnología, FONACYT, otorgado por la Secretaría

Nacional de Ciencia y Tecnología, SENACYT, y al Consejo Nacional de Ciencia y

Tecnología, CONCYT.

EQUIPO DE INVESTIGACIÓN

Investigador Principal

Ing. Freddy A. Velásquez Girón

RNI: 2166 SENACYT

Colegiado Activo: 4263 CIG

E-mail: [email protected]

Investigador Asociado

Ing. Amílcar Josué Veliz Solares.

E-mail: [email protected]

1

RESUMEN

El presente proyecto permitió el desarrollo de un instrumento virtual aplicado a la

instalación eléctrica del laboratorio AC3-1 de la Universidad Galileo. Dicho sistema

permitió el análisis y estudio del funcionamiento de varios equipos típicos de una

instalación industrial. Para tal efecto, se desarrolló también un panel con cargas tipo

industriales que son accionadas en base a diferentes criterios como tiempo, aleatoriedad,

escalonamiento, etc. Y permite la reproducción del comportamiento de una instalación

industrial.

Dicho instrumento desarrollado tiene la ventaja de ser aplicado en industrias o

instituciones interesadas en realizar estudios sobre el comportamiento de sus parámetros

eléctricos, y racionalizar la utilización de la energía eléctrica y de igual forma obtener un

monitoreo en tiempo real, que permite evaluar el efecto de las medidas implementadas.

El instrumento virtual desarrollado es un sistema de adquisición de datos que

toma muestras del mundo real para generar datos que pueden ser analizados. Consiste

básicamente en tomar un conjunto de señales eléctricas y digitalizarlas, de manera que

puedan ser procesadas, analizadas y almacenadas de forma automática. El elemento que

hace la captura de los parámetros eléctricos es un medidor de energía comercial que se

encuentra conectado con el instrumento virtual por medio de una red industrial.

Actualmente es de vital importancia para la industria guatemalteca conocer el

comportamiento de los parámetros eléctricos de sus instalaciones y equipos, con el fin

de monitorear las variaciones que éstos presentan respecto de los valores nominales. Un

estudio de la calidad de la energía es el primer paso y el más importante para analizar,

identificar y solucionar problemas de tipo eléctrico. Los problemas eléctricos

relacionados con la baja calidad de energía, pueden ocasionar problemas serios, por

ejemplo: daños en los equipos, reducción en la confiabilidad de la instalación eléctrica,

disminución en la producción, penalizaciones y multas por parte de las distribuidoras de

energía. Ignorar estos problemas puede aumentar significativamente los costos de

operación y mantenimiento de una empresa o industria, además de poner en peligro la

seguridad del personal.

El desarrollo del proyecto permitió obtener una herramienta valiosa que ayudará a

entender el comportamiento de una instalación eléctrica trifásica, que es de uso común en

la industria guatemalteca.

2

SUMMARY

This project allowed the development of a virtual instrument applied to the

electrical lab-1 AC3 in Galileo University, this system allowed the analysis and study of

the operation of several equipment typical of an industrial plant, also this project

developed a panel with industrial type loads that are operated based on different criteria

such as time, randomness, scaling, etc. This enables the reproduction of the behavior of

an industrial plant.

The instrument developed has the advantage of being applied in industries or

institutions interested in studying the behavior of electrical parameters, and rationalize

the use of electricity and likewise get a real-time monitoring to evaluate the effect of

measures implemented.

The virtual instrument developed is a data acquisition system which samples the

real world to generate data that can be analyzed, consists basically taking a set of

electrical signals and digitize them so that they can be processed, analyzed and stored

automatically. The catch element that makes electrical parameter is a commercial power

meter which is connected to the virtual instrument through an industrial network.

Currently it is vitally important for the Guatemalan industry know the behavior of

electrical parameters of its facilities and equipment to monitor variations they present

regarding the ratings. A study of power quality is the first and most important step to

analyze, identify and troubleshoot electrical type. Electrical problems related to low

power quality can cause serious problems such as: equipment damage, reduction in the

reliability of the electric system, decreased production, penalties and fines from the

energy distribution. Ignoring these problems can significantly increase the costs of

operation and maintenance of a company or industry, and endanger the safety of

personnel.

The development of the project has produced a valuable tool that will help

understand the behavior of a three-phase electrical system which is commonly used in the

Guatemalan industry.

3

CONTENIDO

RESUMEN......................................................................................................................... 1

SUMMARY ........................................................................................................................ 2

I.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 4

I.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................... 10

I.2.1 Antecedentes en Guatemala .................................................................. 10

I.2.2 Justificación del Trabajo .......................................................................... 11

I.3 OBJETIVOS ......................................................................................................... 12

I.3.1 General ...................................................................................................... 12

I.3.2 Específicos ................................................................................................ 12

I.4 METODOLOGÍA .......................................................................................... 14

I.4.1 Localización............................................................................................... 14

I.4.2 Variables .................................................................................................... 15

I.4.3 Estrategia Metodológica .......................................................................... 17

PARTE II .......................................................................................................................... 20

MARCO TEÓRICO ........................................................................................................ 20

PARTE III ......................................................................................................................... 37

III. RESULTADOS .................................................................................................... 37

III.1 ARQUITECTURA GENERAL DEL SISTEMA DESARROLLADO ......... 37

III.2 DESCRIPCIÓN DE PANTALLAS DEL INSTRUMENTO VIRTUAL ...... 39

III.4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................................................. 69

PARTE IV ......................................................................................................................... 72

IV.1 CONCLUSIONES .......................................................................................... 72

IV.2 RECOMEDACIONES ................................................................................... 74

IV.3 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................... 75

IV.4 ANEXOS ........................................................................................................ 76

IV.4.1 Anexo 1 Primera Actividad de Divulgación .................................................. 76

IV.4.2 Primera Actividad de Divulgación ................................................................. 76

IV.4.3 Tercera Actividad de Divulgación .................................................................. 78

IV.4.4 Listado de Participantes en Actividades de Divulgación ............................... 92

PARTE V .......................................................................................................................... 97

V.1 INFORME FINANCIERO ........................................................................................ 97

4

PARTE I

I.1 INTRODUCCIÓN

La energía eléctrica es un factor clave en gran cantidad de procesos industriales, en lo

que es necesario conocer cuáles son los parámetros eléctricos y el estado de los mismos.

Con el aumento de la población y desarrollo de la industria en nuestro país,

constantemente se incrementa la demanda de energía eléctrica en el país. Esto tiene

como consecuencia que los problemas y la complejidad de los sistemas eléctricos

también hayan crecido, de ahí la necesidad de monitorear el estado de los parámetros

eléctricos.

Gráfico No. 1: Demanda Histórica de Potencia y Energía del SNI

Años 1961 – 2011

Fuente: Informe Estadístico Año 2012, CNEE.

El monitoreo, análisis y estudio de parámetros eléctricos en la industria, permite

tomar decisiones de la forma en que se utiliza la energía eléctrica, permitiendo el

desarrollo de la capacidad de reaccionar de acuerdo a las condiciones que se presentan en

una instalación específica, y enfrentar los retos actuales de la industria guatemalteca.

5

Una práctica común en nuestras industrias consiste en realizar cambios en la

operación de circuitos de baja tensión. En ocasiones estas acciones se realizan sin tomar

en cuenta la capacidad original de las instalaciones teniendo como consecuencia

situaciones que pueden afectar el funcionamiento de la instalación o de la misma red

eléctrica, por ejemplo: Desbalance de carga, variaciones temporales de voltaje, bajo

factor de potencia, sobrecarga de circuitos, etc. Todos estos problemas pueden provocar

la degradación prematura de cables y protecciones, lo que reduce su vida útil, al

incrementar el riesgo de generar una falla que pueda suspender el servicio de energía

eléctrica por un tiempo prolongado.

Fotografía No. 1: Fase Inicial de una Falla en Tablero Eléctrico

Imagen normal y termo-gráfica.

Fuente http://energytel.info

Los disturbios pueden ser atribuibles también a diversos factores externos

ocasionados por la naturaleza entre los que se encuentran descargas atmosféricas, la

lluvia, el viento, los árboles, etc. Estas condiciones pueden originar que se presente un

corto circuito en la red en cualquier punto, este tipo de disturbio es de tipo aleatorio y es

común que generen fallas monofásicas a tierra.

A continuación se reproduce textualmente los efectos de una falla general en el

sistema eléctrico nacional, que se presentó el día 26-04-2012, dichas fallas suelen ser con

cierta regularidad en nuestro país:

6

El gerente general del Instituto Nacional de Electrificación (INDE), Ing. Juan

Fernando Castro, informó que la explosión de un transformador ubicado en la

estación sur, en San José Villa Nueva, ocasionó ayer (26/04/2012) un prolongado

apagón. Solo Petén y Quiché no fueron afectados por el corte en el fluido

eléctrico que a las 10:50 horas sorprendió a los guatemaltecos, y tardó más de dos

horas en algunas regiones, y una hora en zonas aledañas a la terminal averiada.

El INDE aprovechó la baja demanda de energía de cada domingo para darle

mantenimiento a las subestaciones de Moyuta, Los Brillantes y Guatemala Sur,

pero en esta última explotó un transformador, y la consecuencia fue el corte de

energía en casi todo el territorio nacional.

Castro relató: “En el campo 138 Guatemala Sur se escuchó un ruido, y

posteriormente ocurrió el colapso. Esto nada tiene que ver con las pruebas que

teníamos previstas para la interconexión Guatemala-México, porque al final no las

realizamos”.

El funcionario señaló que la explosión generó un cortocircuito, que ocasionó que

la línea de la energía se disparara y se originó un efecto dominó en casi todo el

país.

En Huehuetenango, Sololá, Escuintla, Jutiapa, Sacatepéquez y municipios de

Guatemala se reportaron daños en aparatos electrodomésticos. Usuarios

expresaron su malestar por la interrupción del suministro.

La energía fue restablecida de manera paulatina, informó Iveth Zambrano,

portavoz de la Empresa Eléctrica de Guatemala.

Cronología:

• 10:50 la explosión de un transformador en la subestación 138 Guatemala Sur, en

San José Villa Nueva, ocasiona un apagón.

• 11:50 la Empresa Eléctrica de Guatemala restablece el fluido de manera

paulatina en Guatemala, Escuintla y Sacatepéquez.

• 16:00 el servicio es normal en todos los departamentos.

Nota publicada por Prensa Libre, edición digital 27.04.2009

7

Dicha situación no es exclusiva de nuestro país, ya que crecimiento en la

complejidad de los sistemas eléctricos los hace vulnerables a este tipo de fallas. Un caso

ilustrativo de las consecuencias negativas sobre las actividades de un país fue el corte de

energía que sufrió India el martes 31 de julio del 2012, que afectó a 620 millones de

personas, considerado el de mayor magnitud que se ha presentado hasta el momento, para

ilustrar los efectos de dicho evento se reproduce textualmente la nota del periódico El

Universal, de México:

“India sufre el apagón más grande del mundo

Más de 620 millones de personas se quedaron sin energía eléctrica debido al

desplome de tres de sus redes regionales de electricidad

El apagón abarcó unos 3 mil kilómetros de la frontera con Mianmar en el noreste

a la colindancia con Pakistán.

Nueva Delhi | martes 31 de julio de 2012 AP | El Universal 10:08

India se paralizó este martes debido al desplome de tres de sus redes

regionales de electricidad, lo que afectó a 620 millones de personas en lo que fue

considerado como el apagón más grande del mundo.

Cientos de trenes quedaron detenidos en varias partes del país y los

semáforos se apagaron en Nueva Delhi, causando que miles de vehículos

provocaran un congestionamiento generalizado.

Los crematorios eléctricos dejaron de funcionar, incluso algunos con

cadáveres a medio incinerar, dijeron funcionarios del sector eléctrico. Los

servicios de emergencia llevaron de inmediato generadores a minas para rescatar a

trabajadores atrapados bajo tierra.

La extensa interrupción del servicio eléctrico fue peor a la ocurrida el

lunes en India, que afectó a 370 millones de personas. El apagón masivo ocurrió

mientras India sufre de una infraestructura obsoleta y el gobierno es incapaz de

satisfacer el enorme apetito de energía del país, que aspira a convertirse en una

superpotencia económica regional.

El ministro de Energía, Sushil Kumar Shinde, responsabilizó de la nueva

crisis a los estados que rebasan su consumo permitido.

"Todos se exceden al tomar electricidad de la red. Justo esta mañana me

reuní con funcionarios del sector eléctrico de los estados y les di instrucciones

para que sean sancionados (con la interrupción del servicio) los estados que se

excedan en el consumo", dijo a los periodistas.

El nuevo desperfecto fue resentido por 620 millones de personas, casi el

doble de la población de Estados Unidos, en 20 de los 28 estados del país. El

8

apagón fue inusual en su extensión, pues abarcó unos 3 mil kilómetros (mil 870

millas) de la frontera con Mianmar en el noreste a la colindancia con Pakistán.

Shinde informó más tarde que el servicio eléctrico fue totalmente

restablecido en la red nororiental unas horas después del apagón y que la

electricidad había vuelto en el 45 por ciento del sistema norte, mientras en la red

oriental la cifra era de 35 por ciento. Por su parte, R.N. Nayak, presidente de la

Corporación de la Red Eléctrica que administra el sistema nacional, dijo que

esperaba para la noche el restablecimiento pleno del servicio.”

Fuente: http://www.eluniversal.com.mx/notas/861804.html

A continuación se presentan algunas fotografías del evento y que ilustran la

magnitud de la falla:

Fotografía No. 2: Falla del servicio eléctrico en la India.

Fuente:http://www.prensa.com/uhora/mundo/rescatan-los-mineros-atrapados-en-india-

por-gigantesco-apagon/111765

9

Fotografía No. 3: Falla del servicio eléctrico el caos por no haber semáforos.

Fuente:http://www.timesfreepress.com/news/2012/jul/31/electricity-grids-fail-across-

half-india/

Fotografía No 4: Falla del servicio eléctrico deshabilitó el transporte.

Fuente:http://www.thonline.com/news/national_world/article_f3cd7714-01b8-59ab-a6c3-

d72df3ae618d.html?mode=image

De igual forma, la inclusión de equipos electrónicos de potencia como variadores

de frecuencia, arrancadores suaves, variadores de velocidad basados en SCR con recorte

de la onda de voltaje, fuentes electrónicas con dispositivos de conmutación digital,

equipos electrónicos de soldadura, etc. Producen corrientes armónicas que circulan a lo

largo de toda la instalación y provocan efectos nocivos en la misma.

10

I.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

I.2.1 Antecedentes en Guatemala

El crecimiento de nuestros sistemas eléctricos tiene como consecuencia mayor

nivel de complejidad para su análisis, operación y mantenimiento de las instalaciones

trifásicas industriales. En muchos casos la deficiente o nula supervisión y monitoreo de

los principales parámetros eléctricos, permite que situaciones anormales repercutan

posteriormente en problemas serios y situaciones de difícil solución, las que pueden ser

corregidas en sus fases iniciales al tener información detallada del comportamiento de

dichos parámetros.

En la industria guatemalteca, cada día, se actualizan las instalaciones productivas

mediante la utilización de computadoras, controladores locales y distribuidos, PLC’s y

PAC’s, equipos de telecomunicaciones, redes de datos, hornos inductivos, equipos de

potencia basados en tiristores, etc., al incrementar su valor estratégico en nuestros

procesos productivos. Estos sistemas presentan sensibilidad a los problemas de calidad

de energía, al provocar fallas, que pueden representar cuantiosas pérdidas a la industria

guatemalteca. Por ejemplo: bloqueos de computadoras, inhibición de programas, quema

y destrucción de tarjetas electrónicas, fallas en comunicación, desconexión de

controladores, siendo estos efectos comunes que agobian a la industria en nuestro país.

El uso de la instrumentación virtual ha sido planteado anteriormente para

implementación en el ámbito industrial en nuestro país. A continuación mencionaremos

dos de estos casos que se encuentran documentados a nivel de tesis:

a) En la tesis “Instrumentación Virtual e Implementación de Sistemas

SCADA en el Control de Cuartos Fríos”, del Ingeniero Hugo Rolando

Castellanos Álvarez se plantea como objetivo: “Proponer la

implementación de un sistema eficiente de control y adquisición de datos

para las operaciones de un cuarto frío que tenga como prioridad el ahorro

energético”. En dicho trabajo se hace mención de las ventajas de la

utilización de la instrumentación virtual sobre un sistema convencional en

función de la eficiencia energética y funciones que brindará el sistema

11

propuesto. En una de sus conclusiones menciona sobre el ahorro en

consumo de energía eléctrica de 20% y mejoramiento del factor de

potencia a 0.95.

b) El siguiente caso es el trabajo de tesis “Planteamiento del Uso de

Instrumentación Virtual para Adquisición de Datos”, del ingeniero Mario

Edgar Luis Tarot Gálvez. En este caso señala la importancia del uso de

esta tecnología, como el aumento de la productividad y reducción de

costos de operación. Más adelante menciona, entre los casos de estudio,

la utilización de la instrumentación virtual para la creación de sistemas de

registro de información aplicado a un ambiente industrial.

I.2.2 Justificación del Trabajo

Los problemas en las líneas eléctricas repercuten negativamente sobre equipos y

sistemas productivos en la industria guatemalteca, dichos problemas pueden presentarse

como una consecuencia de diferentes factores internos y externos como son situaciones

anormales en los sistemas de distribución, malfuncionamiento de equipos, transitorios y

distorsión armónica, o situaciones fortuitas, las que pueden presentarse de forma

periódicamente o aleatoria. Estas situaciones justifican la utilización de sistemas de

monitoreo en tiempo real para tomar medidas preventivas y correctivas para minimizar

sus efectos.

12

I.3 OBJETIVOS

I.3.1 General

Desarrollar y evaluar un instrumento virtual para monitoreo, análisis, y estudio

de parámetros eléctricos de baja tensión en la Industria Guatemalteca.

I.3.2 Específicos

Desarrollar un sistema de captura de datos para los siguientes parámetros

eléctricos trifásicos: Voltaje (V), corriente (A), potencia eléctrica (KW,

KVAR y KVA), consumo (KW-h), factor de potencia (%), distorsión armónica

de voltaje y corriente por fase, capaz de conectarse con una red Modbus RTU a

un medidor de energía comercial.

Evaluar e implementar un módulo de análisis y registro del voltaje trifásico

que incluya las siguientes características: a) magnitud, b) orden de fases,

c) falla de fase, d) Sobretensión y subtensión.

Evaluar e implementar un módulo de análisis y registro del comportamiento

de la corriente trifásica que incluya las siguientes características: a) desbalance

de fase, b) identificación de componentes resistiva y reactiva, c) identificación

de cargas, d) patrón de corriente.

Evaluar e Implementar un módulo de análisis y registro del comportamiento de

la potencia eléctrica trifásica que incluya las siguientes características: a)

desbalance de fase, b) identificación de componentes resistiva y reactiva, c)

identificación de cargas, d) patrón de potencia.

Evaluar e Implementar un módulo de análisis y registro del comportamiento

del consumo eléctrico trifásico, que incluya las siguientes características: a)

caracterización del consumo eléctrico por periodo, b) proyección de consumo

según el comportamiento, c) patrón del consumo eléctrico.

Evaluar e implementar un módulo de análisis y registro del comportamiento

del factor de potencia trifásico que incluya las siguientes características: a)

magnitud por fase incluyendo cálculo de mejoramiento del parámetro y

alarmas por bajo valor, b) identificación de componente reactiva capacitiva o

inductiva.

13

Evaluar e implementar un módulo de análisis y registro de la distorsión

armónica trifásica en voltaje y corriente.

Divulgar a las autoridades, actores sociales e instituciones en el campo de su

competencia, la información obtenida de la investigación.

14

I.4 METODOLOGÍA

I.4.1 Localización

El proyecto FODECYT 011-2012 fue desarrollado en las instalaciones centrales

de la Universidad Galileo, zona 10 de Guatemala, durante el periodo de marzo de 2012 a

febrero de 2013. Las coordenadas geográficas son: Latitud Norte 14º 60' 97", Longitud

Oeste 90º 50' 47".

Fotografía No 5: Ubicación Geográfica de la Universidad Galileo

Fuente: Google Earth. Año 2011.

15

I.4.2 Variables

I.4.2.1 Variables Independientes

Tabla No. 1 Variables Independientes

Parámetro

Definición

Unidad de medida

Dirección del registro

MODBUS en PD76-

E4E-WFF

Voltaje de fase

Tensión que cae en la

línea de alimentación

respecto de la línea

neutral.

Voltios [V]

0x0101-0x0103

Voltaje de línea

Tensión que existe

entre las diferentes

fases.

Voltios[V]

0x0104-0x106

Corriente de línea

Tasa de cambio por

unidad de tiempo de los

electrones. Establecido

por el voltaje de fase y

las cargas conectadas a

la misma.

Amperios[A]

0x0107-0x0109

Potencia activa

Relación que estable el

paso de energía por

unidad de tiempo.

También se conoce

como potencia útil.

Watts[W]

Potencia activa total

0x010A

Potencia activa por

fase 0x010B-0x010D

Potencia reactiva

Representa el

intercambio de energía

entre la parte reactiva

de la carga y la fuente

Voltios Amperios

Reactivos[VAR]

Potencia reactiva total

0x010E

Potencia reactiva por

fase 0x010F-0x0111

Factor de potencia

Coseno del ángulo que

forman los fasores de

intensidad y voltaje.

Factor de potencia

total

0x0112

Factor de potencia

por fase 0x0113-0x0115

Potencia aparente

Potencia compleja de

un circuito trabajando

en corriente alterna. Es

la suma de la potencia

activa y la potencia

reactiva.

Voltios Amperios[VA]

Potencia aparente

total

0x0116

Potencia aparente por

fase 0x0117-0x0119

16

Fuente: Proyecto FODECYT 011-2012

Frecuencia

Magnitud que mide el

número de repeticiones

de una señal periódica.

Hertz[Hz]

0x011A

Energía Activa(+)

Cantidad de potencia

activa absorbida por

una carga en una

unidad de tiempo.

Kilo Watts hora[KW-h]

Energía activa(+) total

0x011B-0x011C

Energía activa(+)

individual 0x011D-0x0124

Energía Reactiva(+)


reactiva absorbida por

una carga en una

unidad de tiempo.

Kilo voltios amperios

hora[KVAR-h]

Energía reactiva(+)

total

0x012F-0x0130

Energía reactiva(+)

individual

0x0131-0x0138

Energía Activa(-)


activa entregada a una

carga en una unidad de

tiempo.

Kilo Watts hora[KW-h]

Energía activa(-) total

0x0125-0x0126

Energía activa(-)

individual 0x0127-0x012E

Energía Reactiva(-)


reactiva entregada a

una carga en una

unidad de tiempo.

Kilo voltios amperios

hora[KVAR-h]

Energía reactiva(-)

total

0x0139-0x013A

Energía reactiva(-)

individual

0x013B-0x0142

Distorsión Armónica

Deformación que las

señales periódicas

presentan respecto de

su forma original.

0x2000-0x251F

17

I.4.3 Estrategia Metodológica

El método científico detalla los pasos a seguir para el desarrollo de una

investigación científica aplicada, de los que se listan los más importantes a continuación,

para la realización de una investigación cuantitativa, que en nuestra opinión dará la

orientación metodológica del trabajo aquí presentado.

1. Formulación del problema

2. Fase exploratoria

3. Diseño de la investigación

4. Trabajo de campo

5. Trabajo de laboratorio

6. Presentación de resultados

A continuación se detalla la forma en que se aplicó cada uno de los pasos listados para

la identificación, formulación, desarrollo y obtención de conclusiones y recomendaciones

del proyecto en referencia.

1. Formulación del problema:

La Universidad Galileo y en especial el laboratorio de automatización industrial

están enfocados en la aplicación de nuevas tecnologías en diferentes ámbitos de nuestro

medio, lo que permite optimización del uso de los recursos disponibles, que son costos

y escasos. La instrumentación virtual es una tecnología que puede ser aprovechada en el

ámbito industrial, la que motiva este tipo de trabajos de investigación. Esto anula a la

creciente demanda por la energía eléctrica y el aumento de la complejidad de los sistemas

que crea la necesidad del desarrollo de proyectos de este tipo.

2. Fase Exploratoria:

Consistió en la búsqueda de información técnica, proyectos implementados,

sistemas disponibles comercialmente, asimismo, la realización de visitas de campo,

entrevistas con profesionales y cualquier otra actividad de enriquecimiento del tema,

cuyo fin fue lograr la justificación del desarrollo del proyecto en nuestro país. Así

también permite ampliar los puntos de vista personales del proyecto que será

desarrollado.

3. Diseño de la investigación

Esta etapa incluye la formulación de los objetivos para fijar el alcance del

proyecto, ya que se considera de suma importancia la obtención de resultados en un plazo

relativamente corto.

La investigación fue diseñada teniendo como base el trabajo experimental de

laboratorio y campo, esto permitió la verificación del funcionamiento y de igual forma la

identificación de problemas de funcionamiento; también la mejora o perfeccionamiento

de los métodos de trabajo.

El aspecto ético de la investigación no presenta ningún conflicto con las

actividades del proyecto, ya que su fin primordial es la mejora en el aprovechamiento de

18

la energía eléctrica en nuestras industrias, de igual forma las actividades desarrolladas

durante el mismo se enmarcan en un área eminentemente técnica.

Uno de los aspectos importantes del diseño es la divulgación de los resultados del

trabajo de investigación para lo que se realizarán diferentes actividades abiertas al

público que permitan difusión a la mayor cantidad de personas e instituciones a todo

nivel, y de forma muy especial en jóvenes.

También se realizó un cronograma mensual de actividades y un presupuesto para

la compra de los materiales necesarios para el desarrollo del proyecto.

Entre otros aspectos de la metodología que se implementó, es la redacción de

reportes de auxiliares de campo e investigadores. Básicamente su objetivo es la

documentación de las actividades del proyecto, registro de problemas que se

identificaran, soluciones propuestas y generar información de referencia del proyecto,

que incluye fotografías y videos, entre otros.

También se realizaron actividades como la sesiones de trabajo donde los

investigadores y auxiliares de campo obtendrán información sobre avances o dificultades

presentadas en el desarrollo del proyecto, o dar orientación sobre las posibles soluciones

a problemas encontrados.

4. Trabajo de campo

El trabajo de campo consistió en la verificación de los módulos desarrollados a

través de la realización de pruebas de funcionamiento prolongadas. Se verificó la

implementación del protocolo de comunicación y la correcta implementación de los

parámetros eléctricos relacionados.

5. Trabajo de laboratorio

La metodología de desarrollo del trabajo dentro del laboratorio se basa en la

experiencia adquirida al automatizar procesos industriales y en el registro de datos por

diversos medios. Se tomaron en cuenta opiniones de expertos en diferentes áreas y se

realizaron pruebas de funcionamiento en Universidad Galileo.

Para el desarrollo de cada módulo se utilizaron tres fases: diseño, desarrollo y

pruebas, las que se intercalaron durante el proceso, ya que esto permitió realizar ajustes y

mejoras al diseño en base a resultados de pruebas, o como necesidades de la fase de

desarrollo.

Figura No. 1: Fases de la construcción de prototipos

Fuente: FODECTY 011-2012

Diseño Desarrollo Pruebas

19

6. Presentación de resultados

Los resultados de la investigación fueron tabulados y ordenados, que se relacionan

con los objetivos planteados del proyecto. Se presentaron en forma de tablas, las que

relacionaron los objetivos, las actividades realizadas y los resultados medibles obtenidos

en cada caso; se determinó también el porcentaje de avance individual de cada objetivo.

Otros aspectos de la metodología:

Selección de Instalaciones Físicas: La selección de las instalaciones físicas para el

desarrollo del proyecto fueron gestionadas con la administración de la Universidad

Galileo y fue destinado un salón de clases, que fue adecuado para el desarrollo de la

actividad de investigación, se adecuaron las instalaciones eléctricas, servicios de red y

mobiliario.

Selección de investigadores y auxiliares de campo: La selección de los

participantes en el proyecto se realizó a través de entrevistas directas entre estudiantes de

las áreas de Ingeniería en Sistemas, Mecatrónica, Electrónica y Telecomunicaciones, de

3ro y 4to año en la Universidad Galileo, durante un periodo de cuatro semanas. Los

aspectos que se tomaron en cuenta fueron las notas y promedios alcanzados por los

estudiantes, recomendaciones de sus profesores, también su disponibilidad al trabajo de

investigación y su experiencia acumulada. A continuación se muestra una fotografía del

área de trabajo.

Fotografía No. 6: Laboratorio donde se llevó a cabo el monitoreo virtual.

Fuente: FODECYT 011-2012

20

PARTE II

MARCO TEÓRICO

Esta sección expone conceptos relacionados con el trabajo de investigación

desarrollado y da definiciones básicas sobre los parámetros eléctricos utilizados en el

instrumento virtual. Para el entendimiento claro del tema, es necesario que se tengan

nociones acerca de diversos temas involucrados, como son las instalaciones eléctricas

industriales, componentes eléctricos y electrónicos que se utilizan en la industria,

medidores de energía disponibles comercialmente, tipos de fallas eléctricas comunes,

efectos de la distorsión armónica, etc. Las definiciones dadas a continuación se

consideran universalmente aceptadas y son expuestas en gran cantidad de bibliografía

disponible.

Voltaje o Diferencia de Potencial: Se puede definir como el trabajo total por unidad de

carga asociado con el movimiento de la misma entre dos puntos. Esta es una unidad

cuantificable, por la tanto se puede medir al utilizar un voltímetro, y su unidad de medida

son los voltios [V].

Figura No. 2: Onda Sinusoidal de 60 Voltios Pico y Frecuencia de 60 Hz.


21

Corriente Eléctrica: Se define como la tasa de cambio por unidad de tiempo de los

electrones que pasan a lo largo de una superficie o material que puede ser conductiva o

no, siendo esta diferencia la que provoca el traslado lento o rápido de los electrones. Esta

es una unidad cuantificable, por lo tanto se pude medir mediante un amperímetro y su

unidad de medida son los amperios [A].

Figura No. 3: Onda sinusoidal de 20 amperios pico a una frecuencia de 60 Hz.


Potencia Activa (P): Se puede entender como la potencia media absorbida por la

resistencia de la carga, es decir la capacidad que tiene una carga en convertir la energía

eléctrica en trabajo, se mide en vatios (W).

Potencia Reactiva (Q): Es una representación de la capacidad de intercambio de energía

entre la fuente y la parte reactiva de la carga, la que solo puede almacenar energía y no

disiparla. Se mide en voltamperios reactivos (VAR).

Potencia Aparente (S): La potencia aparente de un circuito eléctrico de corriente alterna,

es la suma de la energía que se disipa en dicho circuito, en cierto tiempo, en forma de

calor o trabajo, y la energía utilizada para formación de campos eléctricos y magnéticos

de sus componentes por unidad de tiempo, se mide en voltamperios (VA). Muchos

equipos industriales utilizan esta unidad para su dimensionamiento.

22

Factor de Potencia: Es una representación de la capacidad que tiene una carga para

absorber potencia activa. Es la relación entre la potencia activa (P) y la potencia aparente

(S). Puede tomar valores entre 0 y 1, donde 0.90 es generalmente el valor mínimo

utilizado para las empresas proveedoras de energía eléctrica.

Figura No.4: Representación de factor de potencia

Fuente: http://potenciaelectrica.wikispaces.com/6+Factor+de+Potencia

Energía: Es la potencia generada, transportada o consumida durante un periodo

determinado. Es medida por un contador eléctrico en kilowatt-hora.

Componentes armónicos: La onda senoidal real que se encuentra en los sistemas

eléctricos modernos dista mucho de ser una onda senoidal pura. El teorema de Fourier,

permite analizar este caso de onda distorsionada, porque explica que cualquier función

periódica, no necesariamente continúa. Puede ser descompuesta en una onda senoidal

pura del mismo periodo de la señal original y una serie de ondas senoidales de

frecuencias múltiplos exactos de la frecuencia de la onda senoidal original. La onda con

el mismo periodo que la original se llama onda fundamental, las restantes se llaman

componentes armónicas.

Distorsión Armónica: Es la alteración de la onda senoidal de corriente o de voltaje de

frecuencia nominal, ocasionada por la presencia de señales eléctricas senoidales de

frecuencias diferentes y múltiples de dicha frecuencia nominal. Afecta a gran variedad

de equipos eléctricos, al producir alteraciones que van desde el mal funcionamiento y

deterioro del equipo hasta la destrucción del mismo.

23

Frecuencia: Magnitud que mide el número de repeticiones de una señal periódica en una

unidad de tiempo. Su unidad de medida son los Hertz [Hz]. Para Guatemala el valor

nominal de la frecuencia es 60 Hz.

Fallas eléctricas: El origen de los problemas en las redes eléctricas puede ser atribuible a

múltiples causas como accionamiento de fusibles, arranque de motores eléctricos, uso de

equipo electrónico de potencia, situaciones anormales o fortuitas, etc. Estos problemas

representan una amenaza costosa y peligrosa para las industrias, ya que pueden sufrir

cuantiosas pérdidas debido a situaciones difíciles de enfrentar.

Las perturbaciones eléctricas se pueden presentar en cualquier sistema eléctrico

que se manifiestan como sobre voltaje, impulsos transitorios, distorsión, ruido,

desbalance de carga, etc. Los disturbios tienen dos tipos de orígenes, los externos y los

internos al sistema eléctrico. Los de origen externo son los producidos por descargas

atmosféricas en las líneas eléctricas, contactos incidentales entre dos líneas eléctricas,

principalmente. Los de origen interno son producidos por la operación de dispositivos de

desconexión, conmutación electrónica, arranque de motores, entre otros.

Dependiendo del tipo de disturbio, de su magnitud y duración, es como se puede

manifestar en menor o mayor grado sobre los equipos eléctricos y electrónicos. A

continuación se mencionan algunos de los efectos producidos por los disturbios:

a. Ruido eléctrico: Estos pueden ocasionar un funcionamiento errático en

cualquier tipo de computadora, se puede bloquear, presentar errores de

comunicación o pérdida de información valiosa. Si la magnitud del disturbio

es muy elevada, el daño puede ser físico.

b. Los Sobre-Voltajes o Sub-Voltajes: Los sub-voltajes del orden del 90% del

valor nominal y un tiempo de 3 ciclos de duración aproximadamente, algunos

equipos electrónicos los detectaran como una condición de falla y al momento

del arranque de motores grandes pudieran ocasionar que se abran los

contactores de otros motores. Por otra parte, los sobre-voltajes de duración

muy larga pueda dañar el aislamiento de los componentes electrónicos de los

equipos instalados en la red.

24

c. Distorsión Armónica: Este tipo de disturbio puede ocasionar funcionamiento

errático en equipos electrónicos o de potencia, calentamiento de cables y

transformadores, y falsos disparos de interruptores.

d. Desbalance de carga: Esta se da cuando en un sistema multifases, cada fase

individual presenta una diferencia de carga significativa en relación con las

otras.

e. Bajo Factor de Potencia: Este problema se presenta cuando, en una industria,

dominan cargas inductivas, ya que estas pueden demandar gran cantidad de

energía reactiva, deteriorando el factor de potencia en una industria.

Para lograr una solución efectiva a este problema primero será necesario conocer el

tipo de disturbio potencial o presente en el sistema, para lograrlo se debe realizar una

medición con equipo especializado y analizar la información obtenida.

Dependiendo del tipo de disturbio, su magnitud y duración es como se procede a dar

la recomendación más adecuada. Será necesario un análisis a fondo del sistema los

parámetros encontrados para solucionar cada uno de los problemas encontrados, Algunas

de las soluciones pueden ser solo operacionales y otras con la implementación de equipos

de protección, filtros, transformadores de aislamiento, etc.

Monitoreo y Análisis de Parámetros Eléctricos

Es algo fundamental en una instalación eléctrica para saber el uso que se le está

dando a la energía que esta nos provee. Entre más información se tenga al respecto,

mayor será la capacidad de reacción que se tendrá ante cualquier situación, especialmente

si es adversa.

Algo que los usuarios no toman en cuenta, generalmente es la capacidad original

de las instalaciones eléctricas, por lo que se pueden presentar ciertas características

perjudiciales, entre las que podemos mencionar:

Desbalance de carga en las líneas de alimentación

Flujo de potencia inversa

Bajo factor de potencia

25

Sobrecarga

Variaciones voltaje

Entre los principales parámetros eléctricos que se recomienda monitorear están:

Voltaje entre líneas

Voltaje de línea a neutro

Frecuencia

Factor de potencia

Demanda máxima y demanda instantánea

Distorsión armónica de voltaje

Distorsión armónica de corriente

Voltaje de cada fase

Corriente de cada fase

El monitoreo de los parámetros eléctricos es la fase inicial de un estudio de calidad de

la energía, para realizar esto nos valemos de algunos equipos o analizadores eléctricos,

que se presentan más adelante.

Protocolo Modbus RTU: Protocolo de comunicación mayormente utilizado en la

industria para la conexión de distintos equipos electrónicos, ya que es derivado de una

arquitectura de maestro/esclavo. La transmisión de datos se realiza como una serie de

datos de unos y ceros llamados bits. Cada bit se envía como una tensión donde los ceros

se envían como voltajes positivos y los unos como negativos. Dicho protocolo se ha

convertido en un estándar de uso industrial por su robustez y confiabilidad.

Equipos de Medición y Prueba de Parámetros Eléctricos: Para monitorear y analizar

los parámetros eléctricos previamente mencionados, se requiere de cierto equipo

especializado capaz de llevar a cabo esta tarea. A continuación se mostrarán y describirán

algunos equipos que se utilizan para dicho fin.

26

Marca: AMPROBE

Modelo: DM-III FLEX

Descripción: Multi-test Analizador/Registrador de calidad de energía trifásico

El DM-III Flex es un analizador de calidad eléctrica trifásico que puede realizar el

análisis completo de tensiones, corrientes y armónicos asociados, potencias activa y

reactiva, energía activa y reactiva. También permite analizar los componentes armónicos

de tensión y corriente para, de esta forma, resolver los problemas asociados con dicha

presencia de armónicos. Entre sus cualidades principales están:

Mediciones monofásicas y trifásicas.

Registra hasta 64 parámetros simultáneamente.

Detecta y registra anomalías de voltaje.

Comunicación con PC

Aplicación de software

Figura No. 5: Analizador de parámetros eléctricos

Fuente: http://www.texsoinst.com/amprobe-dmiimultitest-power-analyzer.

27

Marca: AMPROBE

Modelo: PQ55A

Descripción: Analizador y Registrador de Potencia y Energía.

El modelo PQ55A ofrece supervisión, registro y análisis en tiempo real de

sistemas trifásicos. El juego completo incluye la unidad principal portátil, 4 sondas de

corriente, cables de prueba con pinzas, cable RS232 y CD software, estuche de transporte

flexible y manual de uso.

Fotografía No. 7: Analizador de parámetros eléctricos

Fuente: http://www.sercal-testequipmentsales.co.uk/amprobe-pq55a-compact-3-phase-

power--energy-analyser-1106-p.asp

28

Marca: FLUKE

Modelo: 345

Descripción: Analizador de Calidad de Energía.

El modelo FLUKE 345 es capaz de medir una amplia gama de parámetros

eléctricos, para la detección y solución de problemas relacionados con perturbaciones de

calidad eléctrica en sistemas eléctricos con cargas monofásicas y trifásicas. Su pantalla

de color permite visualizar formas de onda y tendencias, dispone de un filtro pasa bajo

para eliminar el ruido de alta frecuencia, además posee un diseño que ofrece alta

inmunidad a las emisiones electromagnéticas. El FLUKE 345 cuenta con todo lo

necesario para ser el instrumento idóneo para medidas en sistemas con cargas

conmutadas tales como variadores de velocidad, sistemas de iluminación electrónica y

fuentes de alimentación ininterrumpidas.

Fotografía No. 8: Analizador de parámetros eléctrico

Fuente: http://octopart.com/fluke-345-fluke-89374

29

PD76-E4E-MFF

El PD76-E4E-MFF es un medidor de panel digital diseñado para monitorear

parámetros eléctricos. Adopta una integración a gran escala, tecnología digital para la

adquisición de datos o muestras y también cuenta con la tecnología de montaje

superficial, la cual permite ahorrar espacios considerables a la hora de realizar la

fabricación del instrumento. Este medidor viene equipado con una matriz de puntos de

128*24 basada en la tecnología LCD. Puede medir todos los parámetros eléctricos

comunes como voltaje trifásico, corriente trifásica, potencia activa, potencia reactiva,

frecuencia, factor de potencia, energía activa, energía reactiva, distorsión armónica entre

otros más. Para transmitir la información de los parámetros previamente mencionados,

este instrumento cuenta con un bus de transmisión multipunto diferencial, ideal para

transmitir a altas velocidades, que está conformado mediante el protocolo MODBUS

(RS485). Para interactuar con el usuario cuenta con cuatro botones programables que se

encuentran en la parte frontal del instrumento para proveer mayor comodidad y

flexibilidad al mismo.

Existen diversos módulos para realizar diferentes funciones, entre los que se

podría elegir: cuatro entradas de conmutación y cuatro salidas análogas (0-20mA/4-

20mA), cuatro entradas de conmutación y cuatro salidas de conmutación, seis entradas de

conmutación y dos salidas análogas. Las salidas análogas son para energía y para el

transporte de electricidad, y la función de cuatro entradas de conmutación y cuatro

salidas de conmutación sirve para el monitoreo de señales de conmutación locales o

remotas, y para el control de salidas (comunicación remota y control remoto).

El 54110/PD76-E4E-WFF puede sustituir cualquier instrumento de transporte

eléctrico normal, cualquier instrumento de medición y cualquier otro dispositivo

relacionado con estos temas. Este instrumento puede ser utilizado sin problema alguno

para el manejo de un sistema eléctrico, transformadores de subestaciones automatizadas,

redes de conmutación automatizadas, automatización industrial, edificios inteligentes

entre otras más. Se caracteriza de igual forma por su fácil instalación, cableado sencillo,

fácil mantenimiento, etc. Puede ser conectado con un PLC y con cualquier computadora

de control industrial.

30

Tabla No 2 Parámetros técnicos

FUENTE: FODECYT 011-2012

31

El instrumento posee varios métodos de alambrado para los diferentes tipos de

cargas. En este caso en particular se mostrará uno de estos, ya que es el que se está

utilizando actualmente en Universidad Galileo, para el estudio y monitoreo de parámetros

eléctricos.

FIGURA No. 6: Tipo de alambrado para medidor de energía PD76-E4E-MFF


Entrada de voltaje: Este no debería ser más alto que el voltaje nominal (100V o

400V).

Entrada de corriente: La corriente nominal de entrada es de 5A.

Se debe asegurar que los voltajes y corrientes de línea estén conectados

correctamente, fase y dirección en secuencia, de lo contrario, el valor mostrado

no será el correcto.

El voltaje de alimentación debe encontrarse en el rango de AC/DC 80 ~ 270 V.

El 54110/PD76-E4E-WFF posee un bus de transmisión multipunto diferencial,

ideal para transmitir datos a alta velocidad, que adopta el protocolo de comunicación

MODBUS (RS485). Hasta 32 medidores pueden ser conectados con un simple cable de

comunicación, y se puede definir una dirección de comunicación diferente para cada uno

de los mismos. Los medidores se diferencian en el número de terminales que se deben

alambrar, para realizar esto se recomienda utilizar cable de par trenzado con un diámetro

no menor a los 0.5 milímetros cuadrados. El cable de comunicación debe estar alejado de

32

las líneas de alta tensión o de los campos eléctricos considerables, para que esta no se vea

afectada por las corrientes parásitas que se podrían filtrar.

El protocolo MODBUS utiliza una configuración maestro-esclavo, en la que un

dispositivo (maestro) inicia las transacciones. Los otros dispositivos (esclavos) responden

al maestro que suministra la información requerida o toman la acción demandada por el

mismo.

El protocolo MODBUS permite únicamente la comunicación entre maestros (PC,

PLC, etc.) y esclavos. Este protocolo no permite el intercambio de información entre

dispositivos independientes.

Figura No. 7: Analizador de parámetros eléctricos.

Fuente: http://www.electricasbc.com/detalles/analizadores-de-redes/1751-54110

La Instrumentación Virtual: El concepto de instrumentación virtual según, Sánchez

(2008), nace del uso de la computadora personal, como forma de reemplazar equipos

físicos, permite a los usuarios interactuar con la computadora como si estuviesen

utilizando un instrumento real. El usuario manipula un instrumento que no es real, este

se ejecuta en una computadora y tiene sus características definidas por software pero

33

realiza las mismas funciones que un equipo real, el usuario final únicamente observará la

representación gráfica de los indicadores y botones de control virtuales en la pantalla de

la computadora. Este concepto implica la adquisición de señales, el procesamiento,

análisis, almacenamiento, distribución y despliegue de los datos e información

relacionados con la medición de una o varias señales, interfaz hombre-máquina,

visualización, monitoreo y supervisión remota del proceso, la comunicación con otros

equipos, etc.

El término “virtual” nace a partir del hecho de que cuando se utiliza una

computadora como “instrumento” es el usuario mismo quien, a través del software,

define su funcionalidad y “apariencia” y por ello decimos que se “virtualiza” el

instrumento, ya que su funcionalidad puede ser definida una y otra vez por el usuario y

no por el fabricante.

La Instrumentación Virtual frente a la Convencional: Según Sánchez (2008), desde el

punto de vista de la instrumentación tradicional, un instrumento de medición es un

dispositivo capaz de recoger señales de campo y proporcionar medidas hacia un

dispositivo controlador. Desde el punto de vista de la instrumentación virtual, la

computadora mediante el hardware necesario recoge dichas señales de campo y las

procesa; por lo tanto, la computadora se convierte en el dispositivo a medir y controlar un

proceso. Las ventajas mencionadas de la instrumentación virtual frente a la

instrumentación convencional son:

La interfaz y el instrumento es definido por el usuario.

Funcionalidad ilimitada, orientado a aplicaciones, conectividad amplia.

El software es la clave del sistema.

Buena relación costo/funcionalidad.

Es reutilizable y se puede aplicar tantas veces como se requiera.

Arquitectura abierta.

Rápida incorporación de nuevas tecnologías.

Intercambio de información con otras aplicaciones de Windows, Linux u otro

sistema operativo.

34

Adquisición de Datos: Según Sánchez (2008), la adquisición de datos consiste

básicamente en captar una señal física y llevarla a una computadora, esto significa tomar

un conjunto de variables medibles en forma física y convertirlas en tensiones eléctricas,

de tal manera que se puedan utilizar en la computadora. Esta función tiene cinco etapas,

las que mencionamos a continuación:

Etapa de Transductores.

Etapa de Transmisión.

Etapa de Acondicionamiento.

Etapa de Adquisición.

Etapa de Procesamiento.

Cada una de estas etapas podrá ser realizada por un dispositivo o varios dispositivos

dependiendo de la arquitectura seleccionada, permitiendo que una señal física pueda ser

adquirida para su análisis.

Diseño de un Instrumento Virtual: Según Sánchez (2008), para el diseño de un

instrumento virtual se requiere únicamente una computadora, un dispositivo de

adquisición de datos y un software apropiado. Como mínimo debe cumplir con tres

funciones básicas de un instrumento convencional: adquirir, analizar y presentar datos.

El diseño puede incluir equipos móviles o controlados a distancia. El proceso de diseño

del instrumento virtual se convierte en la etapa más importante del proceso, ya que

durante esta fase se crearán las bases que permitan la escalabilidad del instrumento

conforme el tiempo avance y la tecnología evolucione. El proceso de diseño se basa en

los modelos de cascada, V, espiral, etc. El equipo de desarrollo deberá escoger el modelo

que mejor se adapte al instrumento en cuestión.

Software para Instrumentación Virtual: Este es el componente que definirá el

comportamiento del instrumento. Según Sánchez (2008), es un conjunto de programas,

algoritmos y procedimientos necesarios para hacer posible el desarrollo de una aplicación

informática.

35

Entonces, un software para instrumentación virtual será aquel conjunto de programas

cuya aplicación informática es la de adquirir, procesar, analizar, almacenar, visualizar,

datos provenientes de campo tomados por hardware de instrumentación virtual. Además,

permite el desarrollo de sistemas de control, supervisión y automatización. Existe una

larga lista de compañías especializadas dedicadas al tema, entre las que podemos

mencionar:

National Instruments.

Measurement Computing.

LabJack Corporation.

Agilent.

Omega Engineering.

Fluke Corporation.

Algunos de los programas especializados en este campo son LabVIEW, Agilent-VEE,

Cyber Tools, Matlab, DasyLAB, DaqVIEW, Etc. La instrumentación virtual tiene

muchos campos de aplicación en la industria, universidades, laboratorios, etc.

Según Cárdenas (2009), LabVIEW es una herramienta de programación gráfica

para diseño de aplicaciones, pruebas de medición y aplicaciones de control de en muchas

áreas de la ingeniería, esto significa que los programas no se escriben, sino se dibujan,

facilitando su comprensión. Fue creado por National Instruments (1976) para funcionar

sobre computadoras MAC y salió al mercado por primera vez en 1986. Los programas

desarrollados en LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales o VIs, cada VI consta de los

partes, que se describen a continuación:

a) El Panel frontal: Es la interfaz con el usuario, y permite una interacción entre el

hombre y la máquina, Los usuarios podrán observar el estado de un programa y

accionar los controles del mismo. La interfaz puede contener diagramas,

gráficas, histogramas, imágenes, etc.

b) El Diagrama de bloques: Es el programa que define el comportamiento del

instrumento, tomará las señales que entran al instrumento, las procesará y enviará

36

los resultados a las salidas de la computadora, contienen las instrucciones en

forma de iconos con funciones predefinidas, e interconectadas con otros bloques.

Una de las características más robustas de LabVIEW para compartir información

entre diferentes dispositivos en diferentes tipos de redes, son las variables compartidas,

que fueron introducidas en la versión 8. Permiten, por ejemplo, la comunicación entre

una computadora y un controlador industrial (por ejemplo un PAC o un PLC) de forma

transparente. Existen dos tipos de variables compartidas las de proceso y las de red, que

deben ser definidas al inicio del proceso y pueden ser escritas y leídas desde múltiples

ubicaciones.

37

PARTE III

III. RESULTADOS

Primero se presentarán las características y arquitectura del sistema desarrollado,

posteriormente de detallarán todas las pantallas de operación y visualización de los

módulos desarrollados y, por, último se presentarán informes obtenidos a partir de la

información entregada por el sistema.

III.1 ARQUITECTURA GENERAL DEL SISTEMA DESARROLLADO

La solución propuesta comprende el diseño de la arquitectura de interconexión y

comunicación de un conjunto de componentes que interactúa de manera inteligente para

realizar la función prevista. Posteriormente se desarrollaron los módulos propuestos en

los objetivos de proyecto y se realizó una etapa de pruebas de funcionamiento.

La arquitectura seleccionada es híbrida y abierta, la información fluye entre cada

una de las etapas en una sola dirección. En el sistema se pueden identificar de forma

clara tres niveles, que se describen a continuación:

1) Adquisición de Datos: Esta etapa es realizada por el medidor de energía comercial

seleccionado PD76-E4E del fabricante SHENZHEN TECHRISE

ELECTRONICS. El sistema de arquitectura abierta permite la interconexión con

otros dispositivos disponibles localmente, como prueba de esto se realizaron

pruebas de comunicación exitosas con el siguiente dispositivo ION7300 del

fabricante SCHNEIDER ELECTRIC. En esta primera etapa se realizan todas las

conexiones físicas a la red eléctrica del laboratorio. También fue necesaria la

utilización de una red MODBUS RTU para la comunicación de la siguiente etapa.

2) Módulo de Comunicación (Driver): Esta etapa es la encargada de las

comunicaciones entre el dispositivo de adquisición de datos y los módulos de

análisis de parámetros. Tiene funciones de indexado, escalamiento, publicación y

básicamente es un módulo desarrollado en LABVIEW 2010, dicho módulo tiene

funciones avanzadas de comunicación. La publicación de la información se

realiza por medio de la tecnología de variables compartidas (Shared Variable) que

38

permite la comunicación entre diferentes equipos conectados a una misma red de

forma sencilla.

3) Módulos de Monitoreo y Análisis de Parámetros Eléctricos: Esta etapa realiza

diferentes funciones dependiendo del objetivo propuesto, todos los módulos que

pertenezcan a esta etapa, leerán los valores correspondientes del módulo de

comunicación al utilizar la tecnología de variable compartida. El análisis permite

la identificación de las características propuestas.

Figura No.8: Arquitectura General del Instrumento Virtual

Fuente: FODECYT 011-2012.

39

Figura No. 9: Variables Compartidas Publicadas en el Instrumento Virtual

Fuente: FODECYT 011-2012.

III.2 DESCRIPCIÓN DE PANTALLAS Y MÓDULOS

PANTALLA #1: Nos muestra un mensaje de bienvenida e identificación del

instrumento. Dura 5 segundos, posteriormente se cambiara automáticamente la pantalla

para iniciar la aplicación que realizará la comunicación entre las diferentes etapas del

instrumento virtual. Contiene la identificación del proyecto y los logos institucionales.

En todas las pantallas se mostrarán dos flechas que permitirán navegar entre las

diferentes pantallas y un botón adicional que finalizará la aplicación. Dicho módulo

presenta las mismas características físicas que el instrumento real, para permitir fácil

comprensión del instrumento virtual.

40

Figura No. 10: Pantalla 1


PANTALLA #2: En estas pantallas podemos observar las 3 líneas de voltaje entre

fase y neutro. Dicha pantalla se actualiza una vez por segundo y permite una

visualización sencilla de los parámetros indicados, esta pantalla es presentada de la

misma forma en el instrumento real. Específicamente indicará Va = Voltaje en la fase A,

Vb = Voltaje en la fase B y Vc = Voltaje en la fase C del sistema trifásico del laboratorio

AC3-1, todos los voltajes presentados son con referencia a la línea neutral. La pantalla

muestra los valores de los voltajes en referencia en el momento que se capturó la imagen.

PANTALLA #3: Corresponde a los voltajes de fase a fase, esto quiere decir que

es el voltaje medido entre fases de la línea trifásica. Específicamente indicará Vab =

Voltaje entre las fases A y B, Vbc = Voltaje entre las fases B y C, Vca = Voltaje entre las

fases C y A. Los valores indicados están en voltios de corriente alterna y muestran la

magnitud de dichos parámetros en el momento que se capturó la imagen.

41

Figura No. 11: Pantallas 2 y 3, Medición de Voltaje


PANTALLA #4: Indica el valor de las corrientes en cada una de las fases y

permite observar cómo se comportan las corrientes de cada fase. Como se pudo notar,

mientras más carga tenga la línea, la corriente será mayor. En este caso observamos que

en el momento de la captura de imagen, la línea “A” presentaba mayor consumo de

corriente en relación con las fases “B” y “C”, los valores mostrados están en unidades de

amperios de corriente alterna

Figura No. 12: Pantalla 4, medición de corriente


42

PANTALLA #5: Indica la potencia real por fase, que muestra cuánta potencia real

se está consumiendo en un sistema o carga y el consumo eléctrico que representa. Se

incluye también el valor de la potencia real total consumida.

PANTALLA #6: Muestra la potencia reactiva por fase y total, que nos indica el

parámetro de potencia reactiva en KVAR.

PANTALLA #7: Presenta la potencia aparente por fase y total, que nos indica el

parámetro de potencia aparente en KVA. Esta es el resultado de las componentes real y

reactiva.

Figura No. 13: Pantallas 5,6 y 7, medición de potencia activa, reactiva y aparente


43

PANTALLA #8: Permite visualizar tanto el factor de potencia de cada fase como el

factor de potencia total. Esta pantalla logrará la verificación de este importante

parámetro y saber que los sistemas de corrección del factor de potencia funcionen de

forma adecuada.

Figura No. 14: Pantalla 8, medición del factor de potencia


PANTALLA #9: En ella se resumen los valores de potencia totales y se incluye la

frecuencia de la red, que es una función de las potencias por fase.

Figura No. 15: Pantalla 9, medición de potencia activa, reactiva, aparente y la frecuencia


44

PANTALLA #10: Aquí se presenta el consumo de energía en KWh que el

sistema ha entregado o consumido. La variable eléctrica permite determinar los

consumos entre dos instantes de tiempo.

Figura No.16: Pantalla 10, consumo de energía


PANTALLA #11: En la décima pestaña podemos ver el consumo de energía

reactiva en KVARh, que el sistema ha entregado o consumido.

Figura No. 17: Pantalla 11, medición de energía reactiva consumida


45

PANTALLAS #12, #13 y #14: Presentan la distorsión armónica del voltaje en

forma gráfica, y cada pantalla corresponde a una fase específica A, B o C. Cada grafica

está compuesta por barras que representan una componente armónica del 1 al 32.

Figura No. 18: Pantalla 12, 13 y 14, distorsión armónica del voltaje en forma grafica


PANTALLAS #15, #16 y #17: Presentan la distorsión armónica de la corriente en forma

gráfica, y cada pantalla corresponde a una fase específica A, B o C. Cada grafica está

compuesta por barras que representan una componente armónica del 1 al 32.

46

Figura No. 19: Pantalla 15, 16 y 17, distorsión armónica

de la corriente en forma gráfica.


En todas las ventanas de los módulos de monitoreo y registro se podrán apreciar

los logos institucionales y el número de identificación del proyecto. Un control en el lado

derecho nos ayuda a cambiar entre diferentes pantallas que agrupan la información según

los objetivos específicos del proyecto. Un botón del lado izquierdo nos ayudará a

exportar la información hacia una hoja de cálculo para estudios adicionales. También

podemos ver la fecha y la hora actuales en la parte inferior y se dispone de un botón de

finalización.

47

En la pantalla mostrada a continuación se verá la tendencia del voltaje de fase a

neutro, registrada durante un corto periodo. Existe una línea por cada fase monitoreada.

Los límites de las gráficas pueden ajustarse, tanto en el eje X (tiempo) como en el eje Y

(voltaje). También se pueden observar los indicadores del estado de las fases en color

verde, los que convertirán en rojo cuando exista condición anormal en el voltaje.

Figura No. 20: Voltaje por fase


En la siguiente pantalla podemos ver gráficamente los voltajes de fase a fase. Del

lado derecho hay indicadores para monitoreo de las variables, que están en verde para un

rango aceptable de funcionamiento. Las alteraciones de dichos parámetros serán

mostrados en la pantalla.

48

Figura No.21: Voltaje fase a fase


El módulo de análisis de corriente se compone de tres pantallas, en la primera

podemos observar la tendencia de los parámetros de corriente por fase, cada línea

representará una de las fases, las corrientes mostradas podrán ser analizadas en las

pantallas siguientes.

Las escalas pueden ser ajustadas como en las pantallas anteriores en ambos ejes, y

por medio de los colores de las líneas pueden ser identificadas las fases según la leyenda

de la gráfica. La figura No. 22 muestra dicha pantalla.

La figura No. 23 identifica la pantalla que ayuda la captura de señales para su

identificación, en esta ventana tenemos dos cursores que son ajustables y que nos ayudara

a establecer el inicio y el fin de cada bloque a estudiar. El botón de captura trasladará la

señal seleccionada a la gráfica siguiente para su análisis, una vez seleccionada se podrá

guardar dicha señal o desecharla.

49

Figura No.22: Corrientes por fase


Fotografía No.9: Captura de Corrientes


50

La tercera pantalla permite el reconocimiento de las cargas, por medio de la

comparación de las señales almacenadas, se realiza una comparación de señales para

determinar la similitud de las señales, el sistema indicará cuando existan coincidencias al

registrar dicho evento.

Fotografía No.10: Reconocimiento de Corrientes


El módulo de análisis de potencia tiene diversas pantallas correspondientes a las

diferentes potencias real, reactiva y aparente, al mostrar la tendencia de dichos

parámetros. Se indicarán en cuadros los valores instantáneos de dichos parámetros.

Las funciones del módulo de potencias, son muy similares a las de la corriente,

pudiendo establecer también señales de comparación. La tendencia puede observarse en

dichas gráficas y el sistema permite el aislamiento de perturbaciones para su análisis

A continuación se mostrarán las pantallas correspondientes.

51

Fotografía No.11: Módulo de análisis para la Potencia Real


Fotografía No.12: Módulo de análisis para la Potencia Reactiva


52

Fotografía No.13: Módulo de análisis para la Potencia Aparente


La pantalla de captura de potencias de forma similar a la de corrientes permitirá el

aislamiento de señales para su posterior análisis y comparación. Tendrá las funciones de

captura, almacenamiento o eliminación de las mismas.

Fotografía No.14: Captura de Potencias


53

También se dispondrá de una pantalla de reconocimiento de potencias, de forma

similar al módulo de corrientes, que identificará señales que se encuentren almacenadas.

Fotografía No.15: Reconocimientos de Potencias


Para análisis más detallados y otro tipo de estudios no considerados en el presente

trabajo, se desarrolló una función que permite enviar la información adquirida hacia una

hoja de cálculo, esta función es compatible con MS Excel. La información se muestra en

columnas tituladas según el tipo de parámetro correspondiente, la primer columna

contendrá información de la fecha y hora, a continuación aparecen los voltajes y

corrientes registradas, después las potencias y el factor de potencia, etc. Dicha

presentación de datos facilita su utilización para otro tipo de análisis o la creación de

graficas combinadas de parámetros como voltaje, potencia y corriente. La información es

enviada de forma dinámica al utilizar funciones existentes en LabVIEW.

54

Fotografía No.16: Análisis detallado en formato MS Excel


El módulo de análisis de energía despliega datos sobre la energía entregada o

consumida, el sistema despliega registros de mes actual, mes anterior y dos meses atrás.

También se muestra una gráfica que muestra la tendencia del consumo eléctrico. La

figura No 17 muestra una factura simulada con los datos mostrados.

Fotografía No.17: Módulo de análisis de energía entregada o consumida


55

Fotografía No.18: Datos de factura y tarifas


III.3 INSTALACIÓN FÍSICA DE EQUIPOS

Los equipos de medición y adquisición de datos fueron instalados en el

laboratorio AC3-1 de Universidad Galileo, para tal efecto se acondicionó un circuito

exclusivo para pruebas del sistema, que quedó aislado del resto de la instalación para

evitar interferencias con los pruebas que se realizaron. Se efectuó la instalación del

circuito trifásico 120/208 VAC de uso industrial, con sus respectivas protecciones. Esta

etapa incluyó la instalación y conexión de líneas de voltaje trifásico del circuito principal

del tablero y la instalación de donas de medición de corriente con relación 50:5, que son

adecuadas al tipo de cargas que se conectaron. Se realizó la configuración de las

diferentes opciones del dispositivo, entre las que están tipo de red, relación de voltaje,

relación de corriente, reset de los registros de energía, configuración de fecha y hora en

dispositivo, configuración de parámetros de comunicación, dirección en red. Y tipo de

protocolo de comunicación.

56

Fotografía No.19: Vista del Laboratorio AC3-1


Fotografía No.20: Vista del equipo de adquisición de datos


57

Fotografía No.21: Vista del panel instalado, incluyendo el tablero de distribución y los

circuitos derivados.


Fotografía No.22: Vista del equipo donde funciona el módulo de comunicación y

publicación.


58

Se desarrolló un panel que permite el control automático de cargas de prueba, este

incluyó el cableado, instalación física de controles y sistemas de protección,

programación de controlador PLC, prueba del funcionamiento.

Fotografía No. 23: Vista del panel de control de cargas desarrollado


Para el control del panel se utilizó un controlador ARRAY APB-24MRDL debido

a sus características y facilidad de programación, dicho equipo fue montado sobre una

base metálica y se agregaron contactores, botones, luces indicadoras y protecciones.

59

Fotografía No. 24: Controlador Array APB-24MRDL


Se programó el PLC en 5 modos diferentes:

Modo secuencial: Hace que los contactores se activen uno a uno de forma

secuencial durante un tiempo determinado en la pantalla de configuración.

Modo aleatorio: Hace que los contactores se activen de forma aleatoria

durante un tiempo aleatorio.

Modo secuencial temporizado 1: Permite que los contactores se activen de

forma secuencial, de 9:00 a 9:30 horas

60

Modo secuencial temporizado 2: Permite hace que los contactores se

activen de forma secuencial, de 15:00 a 15:50 horas

Modo secuencial temporizado 3: Logra que los contactores se activen de

forma secuencial, de 19:00 a 20:00 horas.

Figura No. 23: Programa desarrollado e instalado en

Controlador Array.


El panel de análisis de distorsiones permite la captura y análisis de la onda

senoidal de 60 Hertz. El panel está compuesto por un módulo de adquisición de datos

6215 de National Instruments. El módulo contiene una etapa de acondicionamiento de

señales, compuesto por tres transformadores reductores de voltaje en los puntos

conectados.

61

Fotografía No. 25: Módulo de adquisición de datos


62

Informes de Pruebas Realizadas a Cargas Industriales.

Prueba No.1: Análisis de consumo corriente y potencia en plena carga y arranque.

Equipo utilizado:

Compresor Industrial

Marca KAESER

Modelo PREMIUM silent 130/10 W

Características:

Presión de servicio máximo: 10 Bar

Volumen de aspiración: 130 l/min

Tensión nominal: 110V/60Hz

Velocidad nominal del motor: 1800 revoluciones por minuto

Potencia nominal: 0.75 kW

Temperatura ambiente: + 5°C / + 35°C

Monofásico: 120 VAC.

Frecuencia: 60 Hz.

Duración de la prueba: 32 minutos.

Funcionamiento:

El compresor es considerado como una máquina de fluidos para aumentar la

presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados comprensibles, tales como gases.

Dispone de dos salidas de aire comprimido, una regulada y otra no regulada, también

tiene un interruptor de presión para su funcionamiento.

Descripción de la prueba:

La prueba consistió básicamente en analizar el funcionamiento del compresor

descrito anteriormente mediante el medidor de energía PD76-E4E-WFF y el sistema

desarrollado, que está instalado en el laboratorio de Mecatrónica de Universidad Galileo

AC3-1. Como se sabe, el instrumento virtual permite estudiar y analizar a detalle los

diferentes parámetros eléctricos de una instalación eléctrica o carga específica, siendo

estos: Corrientes de fase, Voltajes de fase, Potencia Real, Potencia Reactiva, Potencia

Aparente, entre otros. La importancia de analizar dichos parámetros eléctricos es

fundamental y necesario, ya que permite tener un diagnóstico acerca de cómo se está

comportando un dispositivo, al momento de demandar energía.

63

Los parámetros analizados son la corriente y la potencia real consumida durante el

periodo de arranque y de funcionamiento del dispositivo, que será conectado a la red

durante 30 minutos, tiempo en el que se medirán dichos valores para su posterior análisis.

El procedimiento que se llevó a cabo para realizar la prueba fue:

Verificar de la conexión de los equipos involucrados en la prueba

Adquirir lo datos mediante el instrumento virtual desarrollado en el proyecto.

Conectar el dispositivo y regularmente permitir consumo de aire del tanque.

Analizar los datos obtenidos y concluir respecto del trabajo realizado

Resultados:

A continuación se mostrarán los resultados obtenidos durante la prueba efectuada

con el compresor KAESER PREMIUM Silent 130/10 W.

Figura No. 24: Medición de corrientes por fase del compresor

KAESER PREMIUM Silent


Como se puede observar en la imagen, durante la prueba se dieron varios

arranques del dispositivo, se generaron varios picos de corriente provocados por el

64

compresor al momento del arranque debido a que la presión dentro del tanque se redujo

por debajo del nivel mínimo permitido. Posteriormente, a medida que transcurre el

tiempo, el compresor comienza a restaurar nuevamente el nivel de presión. Al alcanzar el

valor predeterminado, el interruptor de presión desconecta el dispositivo y deja de

consumir corriente.

Figura No. 25: Medición de potencia real del compresor

KAESER PREMIUM Silent


Como se observa en la gráfica, el comportamiento de la potencia real es similar al

de la corriente, se presenta una demanda alta de potencia real durante el periodo de

arranque y, posteriormente, se estabiliza hasta que el compresor se desconecta de la red.

Análisis Resultados:

El dispositivo bajo prueba muestra comportamiento normal, ya que debido a la

existencia de un motor eléctrico de inducción tipo jaula de ardilla con condensador de

arranque, demandará alta corriente de arranque y, posteriormente a este periodo, el

consumo será en sus valores nominales, según se muestra en las gráficas obtenidas.

65

Conclusión:

La operación del dispositivo es normal.

Prueba No.2: Análisis en estado estable de equipo de refrigeración, porcentaje de

encendido - apagado.

Equipo utilizado:

Refrigerador comercial

Marca: FOGEL

Características:

Voltaje: 115V Monofásico

Frecuencia: 60Hz

Refrigerante: R134A

Potencia nominal: 1/5 HP

Corriente Nominal: 3.6 A

Consumo de energía: 144 kWh / mes

Duración de la prueba: 100 minutos.

Funcionamiento:

El refrigerador comercial es un equipo diseñado para mantener a una temperatura

determinada los productos ubicados en su interior, mediante un sistema de lazo cerrado,

controlado por un termostato.

Descripción de la prueba:

La prueba consistió básicamente en analizar el funcionamiento eléctrico del

refrigerador comercial, para determinar el porcentaje de tiempo que permaneció

encendido el compresor (activo), en estado estable (cuando ha alcanzado su periodo de

estabilización en el interior de la cámara). Para verificar dicha situación y que no existan

perturbaciones, se registró también la temperatura en el interior del equipo, y en tres

puntos adicionales en el sistema de refrigeración.

El procedimiento que se llevó a cabo para realizar la prueba fue:

Verificar la conexión de los equipos involucrados en la prueba.

66

Adquirir lo datos mediante el instrumento virtual.

Conexión de medidores de temperatura y registro de la temperatura.

Estabilizar la temperatura del equipo durante 2 horas con la puerta abierta.

Conectar eléctricamente el refrigerador comercial

Estabilizar el equipo a una temperatura entre 10 – 15 grados Celsius.

Capturar una porción de la señal que sea representativa del parámetro a calcular.

Analizar los datos obtenidos y concluir respecto del trabajo realizado

Resultados:

A continuación se mostrarán los resultados obtenidos durante la prueba efectuada con el

refrigerador comercial.

Figura No. 26: Medición de corrientes por fase del refrigerador FOGEL


Durante el período de estabilización se capturó un ciclo de funcionamiento del

dispositivo, con lo que se determinó el porcentaje propuesto. De forma paralela se

verificó que no existieran perturbaciones en las temperaturas de operación del sistema

que afectaran dicho cálculo. La gráfica mostrada a continuación contiene dicho registro.

67

Figura No.27: Medición de temperatura del refrigerador FOGEL


Análisis Resultados:

Los resultados obtenidos se resumen en la siguiente tabla, donde se calculó el

porcentaje deseado.

Tabla No. 3. Descripción del tiempo de funcionamiento del compresor


Conclusión:

El sistema desarrollado permitió calcular el porcentaje deseado, que puede

verificarse contra las especificaciones del equipo y ver si presenta alteraciones de

funcionamiento en estado estable.

Prueba No 3: Análisis de Transientes en Líneas de Voltaje en Laboratorio A-204.

A continuación se detallarán los valores obtenidos para las pruebas realizadas

donde se analizó el comportamiento de las líneas de voltaje del laboratorio A-204. Para

dicho análisis se efectuó una aplicación de adquisición de datos programada en

Descripción Valor

(Segundos, %)

Tiempo compresor activo 80

Tiempo Compresor inactivo 130

Tiempo total del ciclo 210

% Ciclo activo 38 %

% Ciclo inactivo 62 %

68

LABVIEW 2010 que se conectará con el módulo USB 6215, que se encontraba

conectado a la red por medio de acondicionadores de señal, dimensionados de acuerdo al

voltaje de la red.

En la siguiente gráfica se puede observar un disturbio en la onda de voltaje, se

puede notar una reducción en la magnitud de la señal, que fue captado por el sistema

desarrollado. El voltaje se mantiene muy cerca de los 120 V nominales (169 voltios de

voltaje máximo), pero se observa una caída repentina del orden de 4 voltios durante un

periodo corto y después una recuperación de dicho parámetro. Los cursores que se

muestran en la gráfica permiten capturar el inicio y el fin del disturbio para su análisis.

Figura No.28: Disturbio en la onda de voltaje

Laboratorio A204


En la gráfica mostrada a continuación se puede observar más de cerca la porción

de la gráfica anterior donde ocurrió la baja de tensión. Podemos ver que este

comportamiento corresponde al arranque de un motor de inducción de dimensiones

69

considerables, el disturbio es atribuido al arranque del ascensor del edificio, ya que se

repite continuamente. Esto es atribuible a la demanda de potencia que tiene dicho motor

y al tipo de arrancador para su maniobra.

Figura No. 29: Disturbio en la onda de voltaje en vista, aumentada


En la gráfica se puede apreciar la evolución del evento, que fue capturado por el

instrumento virtual. Debido a la magnitud de la variación que se muestra en la gráfica no

se considera un evento que pueda afectar a los dispositivos conectados a la red.

III.4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Los aspectos a discutir en esta seccion son los siguientes: diseño y arquitectura,

usabilidad del instrumento virtual, aplicabilidad a nivel industrial, desarrollo de nuevas

características o mejora de las existentes, resultados de pruebas realizada e identificacion

de cargas.

70

Aspectos de diseño y arquitectura:

Este fue uno de los principales temas a discutir por los miembros del equipo de

investigación durante el desarrollo del proyecto, ya que se buscaba una arquitectura lo

más flexible y abierta posible, debido a que se necesitaba un diseño que permitiera el

desarrollo simultáneo de los diferentes módulos propuestos. La arquitectura diseñada

cumplió con los objetivos propuestos de forma eficiente. Otro aspecto a considerar fue

la utilización de equipos electrónicos de grado industrial, ya que estos soportan las

condiciones que se presentan a nivel industrial, que es donde está planteado el ámbito de

funcionamiento del instrumento virtual.

Aspectos de usabilidad del instrumento virtual:

El aspecto de facilidad de uso del instrumento virtual es muy importante, ya que

esto es determinante para lograr que cumpla con sus objetivos de diseño. En este aspecto

se consideró utilizar una interface del sistema simple, pantallas agrupadas por tipos de

parámetros y señales de alarma con indicadores de colores representativos. Esto fue

necesario debido a la gran cantidad de datos que debían presentarse al usuario. Para

verificar dicho aspecto de usabilidad, se le pidió a estudiantes de varias ingenierías de

tercero y cuarto año de Universidad Galileo, realizaran tareas de análisis y evaluación de

cargas de tipo industrial (ver anexos para reportes presentados). Las pruebas de

usabilidad del sistema fueron satisfactorias y permitieron corregir algunos puntos en la

forma en que los datos son actualizados en la pantalla y el orden en la presentación de la

información.

Aspectos de aplicabilidad a nivel industrial:

Un planteamiento fundamental del proyecto es su aplicación a nivel industrial,

este tipo de aplicación requiere de sistemas robustos que soporten las condiciones dadas

en este ámbito, las herramientas y equipos utilizados son todos de uso industrial y con el

suficiente nivel de robustez para ser aplicado en este ámbito, cumpliendo los objetivos

del proyecto desarrollado. El sistema está capacitado para ser conectado en sistemas

trifásicos, ya que estos son de uso común en las industrias de nuestro país.

71

Aspectos de desarrollo de nuevas caracteísticas o mejora de las existentes:

Uno de los puntos mas fuertes que motivaron el desarrollo del presente proyecto

es la versatilidad en el desarrollo de nuevas caracteristicas, ya que para su arquitectura

abierta permite la conexión de nuevos módulos al sistema de variables compartidas,

dichos módulos pueden ser desarrollados especifícamente para el análisis de determinada

característica.

Ya que se dispone del código fuente del sistema, se pueden realizar mejoras a los

módulos desarrollados para perfeccionar su funcionamiento, desarrollar este proceso

requiere de efectuar pruebas de verificación, previo a su utilización.

Resultados de pruebas realizadas:

Los resultados mostrados en las pruebas #1, #2 y #3 fueron, en su mayoría,

satisfactorios e hicieron evidente la utilidad del instrumento virtual desarrollado, como

herramienta valiosa para análisis. El sistema fue usado también por estudiantes del curso

de potencia y motores, con el fin de verificar su funcionalidad (ver resultados en anexos),

para lo que realizaron un informe de la prueba que presentaron.

Identificación de cargas:

La función de identificación de cargas debe perfeccionarse, ya que la función

desarrollada ha presentado algunas limitantes en maniobras simultáneas o variaciones de

condiciones de arranque de máquinas o equipos. Actualmente se pueden evaluar

arranques de cargas relativamente constantes y no simultáneas.

72

PARTE IV

IV.1 CONCLUSIONES

1. Basado en el trabajo desarrollado se concluye que el instrumento virtual permite

realizar el monitoreo, análisis y estudio de parámetros eléctricos de baja tensión, que

fue verificado a través de las pruebas efectuadas acorde a los objetivos planteados en el

proyecto.

2. El sistema desarrollado analizó y registró los siguientes parámetros eléctricos: Voltaje,

Corriente, Potencia Eléctrica, Factor de Potencia y distorsión Armónica, por medio de

una red MODBUS RTU y el medidor PD76-E4E, según los datos mostrados en las

pruebas realizadas en equipos industriales. Se concluye que se evaluó e implemento de

forma satisfactoria.

3. El módulo de análisis y registro de voltaje trifásico desarrollado se muestra en las

figuras No 24 y 25, y contienen indicadores que se activan al encontrar las situaciones

como sobretensión y subtensión, orden de fases alterado, falla de fase. Fue evaluado en

las pruebas realizadas en equipos industriales. Se concluye que evaluó e implemento de

forma satisfactoria.

4. El módulo de análisis y registro de la corriente trifásica desarrollado se muestra en las

figuras No 26, 27 y 28 y contienen indicadores que se activan al encontrar desbalance

de fase. También permite capturar la corriente para la identificación de componentes

resistiva y reactiva, tipo de carga y crear un patrón de corriente. Además, fue evaluado

en las pruebas realizadas en equipos industriales. Se concluye que evaluó e implemento

de forma satisfactoria.

5. El módulo de análisis y registro de la potencia eléctrica trifásica desarrollado se muestra

en las figuras No 29, 30, 31 y 32. Contiene indicadores que se activan al encontrar

desbalance de fase. También permite capturar la potencia para la identificación de

componentes resistiva y reactiva, tipo de carga y crear un patrón de corriente. Se

concluye que evaluó e implemento de forma satisfactoria.

73

6. El módulo de análisis y registro del consumo eléctrico trifásico se muestra en las figuras

N0. 35 y 36, contiene una gráfica que muestra la tendencia del consumo eléctrico

durante un mes, que puede ser correlacionado con el de dos meses anteriores. También

realiza una proyección del costo de la factura eléctrica. El módulo fue evaluado en

pruebas a equipos industriales. Se concluye que evaluó e implemento de forma

satisfactoria.

7. El módulo de análisis y registro del factor de potencia muestra los siguientes

indicadores magnitud (figura No. 18) y se incluyeron también indicadores de valores de

mejoramiento, indicadores de alarma por bajo factor de potencia y las componentes

identificadas capacitiva y resistiva. Dicho módulo fue evaluado en pruebas realizadas a

equipos industriales. Se concluye que evaluó e implemento de forma satisfactoria.

8. El módulo de análisis y registro de la distorsión armónica muestra los siguientes

indicadores magnitud (figuras No. 22 y 23). También fue evaluado en pruebas

realizadas a equipos industriales cumpliendo el objetivo propuesto.

9. Se efectuaron diferentes actividades de divulgación del proyecto, donde se incluyeron

estudiantes y autoridades de la universidad, al cumplir con el objetivo propuesto.

74

IV.2 RECOMENDACIONES

1- La implementación de un programa de apoyo a industrias e instituciones interesadas

que permita el aprovechamiento del instrumento virtual desarrollado, con la

participación de Universidad Galileo.

2- Continuar con la implementación de nuevas características en el instrumento virtual,

que logre mayor nivel de análisis y el perfeccionamiento de los módulos

desarrollados.

3- Instalar el instrumento virtual en la Torre uno de Universidad Galileo, para que el

sistema pueda servir como laboratorio en las diferentes carreras de ingeniería y

mejorar la práctica profesional de los estudiantes.

4- Evaluar otros instrumentos de medición para que sea posible conectarlos al

instrumento virtual desarrollado y, de esta forma, ampliar la gama de dispositivos

con que el sistema puede comunicarse.

75

IV.3 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Array Electronic Corporation. 2010. Manual de controlador Array. En red

www.array.sh. China.

2. Castellanos, A.; Hugo, R. 2012. Instrumentación Virtual e Implementación

de Sistemas SCADA en el Control de Cuartos Fríos. Guatemala. Xxiii

pp, 195 pp, 196 pp.

3. Cardenas; Jose, M. 2009. Diseño y automatización de un monocromador

óptico. Instrumentación Virtual e Implementación. Mexico. 16 pp.

4. CNEE. 2012. Informe Estadístico Año 2012. En red

http://www.cnee.gob.gt/. Guatemala.

5. Prensa Libre. 2009. Edición digital del 27-04-2009. En red

www.prensalibre.com. Guatemala.

6. El Universal. 2012. India sufre el apagón más grande del mundo. En red

www.eluniversal.com.mx. México.

7. ELÉCTRICAS BC. 2007. Manual de Medidor digital de variables eléctricas

PD76-E4E-WFF. En red http://www.electricasbc.com. USA.

8. NATIONAL INSTRUMENTS. 2012. Using the LabVIEW Shared Variable.

En red www.ni.com.

9. Tarot, G.; Mario, E.L. 2004. Planteamiento del uso de Instrumentación

Virtual para Adquisición de Datos. Guatemala. 11-13 pp. 17-20 pp.

10. Sánchez, S.; Víctor, M. 2008. Desarrollo de instrumentación virtual para el

estudio de la corrosión por medio de la técnica de ruido electroquímico.

México. 16-19 pp. 26 pp. 31 pp.

76

IV.4 ANEXOS

IV.4.1 Anexo 1 Primera Actividad de Divulgación

La actividad de divulgación se realizó el día miércoles 22 de agosto de 2012, en la

entrada del cuarto nivel de la torre 1 de la Universidad Galileo, en horario de 14:00 a 17:00

de la tarde. Durante la actividad estuvo expuesto el proyecto FODECYT 011-2012

“DESARROLLO Y EVALUACION DE UN INSTRUMENTO VIRTUAL PARA

MONITOREO, ANALISIS Y ESTUDIO DE PARAMETROS ELECTRICOS DE BAJA

TENSIÓN EN LA INDUSTRIA GUATEMALTECA”.

Fotografía No. 26: Exposición en instalaciones de la Universidad Galileo.

:


IV.4.2 Segunda Actividad de Divulgación

La actividad de divulgación se realizó el día 19 de octubre de 2012, en la entrada del

cuarto nivel de la torre 1 de la Universidad Galileo, en horario de 10:00 de la mañana a

5:00 de la tarde. Durante la actividad se expusieron los siguientes proyectos:

77

1) FODECYT 015-2010: “DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE UN SENSOR

AUTOMATIZADO PARA ALTO VOLUMEN DE LLUVIA CON

TECNOLOGÍA DE BAJO COSTO Y REGISTRO REMOTO DE

INFORMACIÓN (PLUVIÓMETRO AUTOMATIZADO DE ALTO

VOLUMEN)”. Se expuso la maqueta desarrollada durante el proyecto, el

proyecto se presentó funcionando y se realizó una demostración a los asistentes.

2) FODECYT 011-2012: “DESARROLLO Y EVALUACION DE UN

INSTRUMENTO VIRTUAL PARA MONITOREO, ANALISIS Y ESTUDIO

DE PARAMETROS ELECTRICOS DE BAJA TENSIÓN EN LA INDUSTRIA

GUATEMALTECA”. En este caso se presentó físicamente el módulo de

análisis de disturbios en tiempo real el cual se conectó a la red eléctrica para

monitorear una de las fases de voltaje, la demostración también incluyo una

conexión con el laboratorio AC3-1 donde se encuentra instalado el equipo de

medición de energía.

Fotografía No.27: Vista día de Exposición


78

3) SISTEMA DE ALERTA TEMPRANA (SATGAL): En este proyecto se

mostraron varios componentes que integran el sistema en una maqueta. También

se incluyó un sensor real para la medición.

La exposición fue visitada por estudiantes y público en general que asistió a la

universidad ya que el lugar se encuentra ubicado en una de las entradas principales de la

universidad y a un costado del área de restaurante. Durante la actividad se registraron la

visita de 43 personas.

Fotografía No.28: Día de exposición


IV.4.3 Tercera Actividad de Divulgación

Laboratorios y prácticas con estudiantes.

Durante los meses de enero y febrero del 2013 se realizaron laboratorios con

estudiantes de las carreras de ingeniería electrónica y mecatrónica, durante las cuales se

hicieron pruebas a equipos como motores eléctricos, compresor, ventilador, equipo de

refrigeración comercial, maquina CNC, lámparas, etc.

79

Fotografía No.29: Día de exposición


Cada laboratorio tiene una duración de 50 minutos y el procedimiento realizado

consiste en la conexión de los dispositivos en prueba, cargar el instrumento virtual, realizar

las mediciones y posteriormente un análisis de los datos obtenidos.

Fotografía No.30: Práctica de laboratorio con el medidor de energía


80

Fotografía No. 31: Práctica de laboratorio con el medidor de energía


Resultados de los laboratorios realizados:

Análisis de corriente:

A continuación se presentan dos de los ciclos tomados en la muestra.

Esta gráfica representa el consumo de corriente por cada una de las cargas.

Figura No. 30: Análisis de corriente


81

La gráfica mostrada representa es el resultado de la toma de datos con el

instrumento virtual desarrollado, la carga es activada regularmente por medio del

controlador muestra de una forma didáctica diferentes periodos de comportamiento del

equipo bajo estudio. A continuación se detallan las porciones de la gráfica que muestran

un comportamiento interesante para el estudio realizado.

Como se puede observar del segundo 15.2 al 40 se puede ver claramente que la

corriente no es 0 A, esto se debe a que se posee un sistema para controlar la activación de

cada una de las cargas, por lo tanto se requiere de la utilización de un contactor, el cual

consume una corriente mínima, la cual se puede observar en la gráfica.

Por otra parte del segundo 40 al 45.6 se puede observar la activación de 3

ventiladores, se llegó a la conclusión de que existe una falla en estos, ya que el tiempo de

activación para cada una de las cargas era de 20 segundos, y se puede evidenciar

claramente que esta carga no fue activada por 20 segundos. También se puede observar que

del segundo 208 al 228 esta carga se activó y nuevamente presentó un comportamiento no

deseado, ya que a pesar de que si estuvo activada por 20 segundos, se puede observar que

fue desactivada y activada en este lapso de tiempo.

Por último del segundo 86 al 106 se puede ver un consumo de corriente

relativamente mayor, esto se debe a que la carga activada en este lapso de tiempo era un

motor, se puede ver que al inicio de la activación de la carga existe un “pico”, esto se debe

a que un motor al momento del arranque consume mayor corriente, y luego se estabiliza y

consume un valor de corriente fijo, como se puede observar en la gráfica. Debido a que

todas las cargas eran monofásicas, solamente se realizó un análisis de esta fase.

82

En esta grafica se muestran los voltajes de línea a línea durante la prueba.

Voltajes Línea a línea:

AB: 204.8

BC: 203.8

CA: 206.2

Figura No.31 Medición de voltaje entre lineas


83

En esta grafica se muestran los voltajes de cada fase durante la prueba.

Voltajes de fase promedio:

A: 119.62.

B: 116.90.

C: 118.47.

Figura No. 32 Medición de voltajes de fase


84

En esta grafica se muestran las corrientes consumidas durante la prueba.

Corrientes promedio:

A: 1.6406.

B: 0.8258.

C: 1.0081.

Figura No. 33 Medición de Corriente


85

En esta grafica se muestra la potencia aparente de cada fase demandada durante la prueba.

Potencias Aparente promedio:

A: 0.18638.

B: 0.06994.

C: 0.10669.

Figura No. 34 Medición Potencias Aparente


86

En esta grafica se muestra la potencia real de cada fase demandada durante la prueba.

Potencias real promedio:

A: 0.078384.

B: 0.0.0400.

C: 0.090087.

Figura No.35 Medición de Potencia real


En esta grafica se muestra la potencia reactiva de cada fase demandada durante la prueba.

87

Potencias reactiva promedio:

A: 0.172825.

B: 0.059839.

C: 0.063997.

Figura No. 36: Medición de potencia reactiva


88

En esta grafica se muestra el factor de potencia de cada fase y el factor de potencia general durante la prueba.

Factor de potencia:

A: 40.7265.

B: 58.2825.

C: 87.4932.

T: 59.033

Figura No. 37: Medición del factor de potencia


89

Figura No: 38. Análisis por Carga:

Valores Medidos por Carga

KW KVA KVAR f.p. V A

Motor AC 1/2 HP 0.24 0.4924 0.43 0.4874 118.37 3.4

Contactor Motor AC 1/2 HP 0.0971 0.1991 0.1738 0.4874 118.37 0.82

Motor pequeño 1 0.01725 0.0311035 0.02588 0.5546 119 0.15

Motor pequeño 2 0.01725 0.0311035 0.02588 0.5546 119 0.15

Motor pequeño 3 0.01725 0.0311035 0.02588 0.5546 119 0.15

Contactor Motores pequeños 0.02825 0.05093761 0.04299 0.5546 119 0.78


Algunos extractos de reportes de los laboratorios realizados:

1) El procedimiento de esta práctica consistió en realizar mediciones de parámetros

eléctricos, como la corriente, el voltaje, los diferentes tipos de potencias, entre

otros de esta forma podríamos determinar el comportamiento de nuestro sistema,

el cual está conformado de un control de temporización el cual activaba diferentes

cargas durante diferente intervalos de tiempo, el sistema puede activar dos cargas

monofásicas y dos cargas trifásicas, en diferentes intervalos de tiempo dejando

únicamente una carga activada en cada intervalo de tiempo. Las cargas que se

conectaron para esta práctica fueron tres ventiladores pequeños monofásicos y un

motor de bomba monofásico.

Fotografía No. 32: Panel de cargas


90

2) El primer paso de la práctica fue conocer el instrumento virtual de medición, el

cual esta implementado en LABVIEW, y nos permite tomar mediciones de

parámetro eléctricos del sistema en tiempo real, dentro de los cuales se

encuentran:

o Potencia real, aparente y reactiva.

o Factor de potencia.

o Frecuencia.

o Corriente por fase.

o Voltaje por fase y voltaje fase a fase.

Además nos permite generar reportes en Excel, de cada parámetro los cuales

comienzan a muestrearse desde que se corre el software, con esto podemos tener

un registro histórico el cual detecta cambios en los parámetros eléctricos del

sistema cada diez mili segundos.

3) El siguiente paso fue iniciar la prueba, la cual tuvo una duración de treinta

minutos, durante los cuales se tomaron datos durante el funcionamiento de la

carga y cuánto tiempo esta carga funciono, en el caso del motor DC con una

potencia de medio caballo de fuerza la demanda de corriente era superior por lo

que el software nos facilitaba ver en qué momentos se encontraba este motor en

funcionamiento, al igual que los ventiladores mostraban la demanda de corriente

mucho más pequeña, con la particularidad que debido a la temporización del

sistema se activaban un tiempo corto se desactivaban por unos instantes y se

volvían a activar, esto se pudo apreciar perfectamente con el software. Otra de las

cargas indirectas se presentaban cuando el sistema debido a su funcionamiento

activaba los contactores de conmutación, esta pequeña demanda de corriente

también se podría apreciar con el software.

91

Fotografía No. 33: Ventiladores bajo prueba


4) Además de visualizar el comportamiento eléctrico del sistema, se buscaron las

especificaciones técnicas de cada una de las cargas, para poder comparar las

especificaciones del fabricante con los resultados obtenidos de las pruebas, ya que

como bien se sabe el comportamiento de las cargas cambia respecto del tiempo esto

quiere decir que no se comporta igual un motor DC nuevo con uno que lleva en

operación algún tiempo. Además se consideró al contactor como carga y de igual forma

obtener sus especificaciones. Los resultados fueron los siguientes: Como bien sabemos

el contactor es una de las partes más importantes del sistema de temporización ya que

es el que conmuta las cargas tanto monofásicas como trifásicas.

5) Como último paso de la práctica se realizó un análisis de las cargas, esto para

determinar su comportamiento durante el tiempo de prueba, dentro del análisis

realizado era necesario encontrar el tiempo en el que cada carga estaba

funcionando y que tanta corriente consumía en ese intervalo. Debido a esto

considerararon todas las cargas incluyendo al sistema como mismo ya que sus

componentes consumían corriente al ser activados como en el caso de los

92

contactores que consumían una corriente muy pequeña a comparación de las

demás cargas pero de igual forma se puede ver con el software.

Recomendaciones de los laboratorios hechas por los participantes:

A la hora de realizar pruebas de larga duración, tener en cuenta que todos los

elementos estén correctamente configurados, para que no exista ningún error o

problema durante la misma. Ya que las pruebas podrían resultar en datos

incorrectos o perder información relevante o incluso que toda la prueba este mal

practicada.

Cuando se realicen pruebas que involucran mediciones de parámetros eléctricos,

siempre es bueno revisar las especificaciones del dispositivo o carga que se está

analizando para comparar las estos datos con los resultados obtenidos, esto se

recomienda ya que es probable que con el tiempo el comportamiento del

dispositivo o cargas haya cambiado.

A la hora de analizar una gran cantidad de datos, siempre es bueno encontrar la

media, moda y desviación estándar de los mismos, esto nos puede ayudar a tener

una idea más clara del comportamiento y las características del fenómeno que se

está analizando.

IV.4.4 Listado de Participantes en Actividades de Divulgación

A continuación se presentan los listados de las personas que participaron y se registraron

en las diferentes actividades de divulgación realizadas, las que fueron planteadas como

parte de los objetivos del proyecto.

96

Tabla No.4: Cronograma de trabajo del proyecto.

ACTIVIDADES A REALIZAR 12 MESES

CRONOGRAMA (meses)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1. Organización del equipo de trabajo

2. Conexión y configuración del equipo a utilizar

3. Desarrollo del módulo de comunicaciones

4. Prueba y validación del módulo de comunicaciones

5. Desarrollo del módulo de monitoreo de voltaje

6. Prueba y validación del módulo de monitoreo de voltaje

7. Desarrollo del módulo de análisis de corriente

8. Prueba y validación del módulo de monitoreo de corriente

9. Desarrollo del módulo de monitoreo de potencia y factor de

potencia.

10. Prueba y validación del módulo de potencia y factor de potencia.

11. Desarrollo del módulo de distorsión armónica y reportes

12. Pruebas y validación del sistema desarrollado

13. Documentación e informe final.

14. Promoción del proyecto.

15. Prorroga Meses 10,11 y 12.

97

PARTE V

V.1 INFORME FINANCIERO

AD-R-0013

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