UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE ELECTRICIDAD, ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONESDEPARTAMENTO ACADEMICO DE ELECTRICIDAD

AUTOMATIZACIN DEL BANCO DIDCTICO DEL LABORATORIO DE MQUINAS ELCTRICAS

TITULOAutomatizacin del banco didctico del laboratorio de mquinas elctricas.

RESUMENEl presente informe de laboratorio busca facilitar tanto el uso, pruebas y banco de resultados de los diversos experimentos que se realizan en los laboratorios de mquinas elctricas.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERALAutomatizar el equipo didctico del laboratorio de mquinas elctricas.

OBJETIVOS ESPECFICOS Disear un circuito interfaz que permita conectar la computadora con el mdulo didctico del laboratorio de Maquinas Elctricas de la facultad de Ingeniera Elctrica y Electrnica. Elaborar un software que permita visualizar las curvas de comportamiento de las mquinas rotativas bajo prueba en el mdulo didctico.

MARCO TEORICO

INTRODUCCINEl estudio de las mquinas elctricas requiere la comprensin de los fundamentos de construccin y principios fsicos de los motores elctricos de AC y DC as como de los generadores y transformadores.

Para comprender el comportamiento de los motores y generadores elctricos, es necesario realizar prcticas de la operacin a fin de obtener las relaciones de parmetros contra un parmetro o variable independiente. En el caso de los motores generalmente este parmetro independiente es la carga mecnica aplicada al eje del motor, llamado tambin Torque o Par desarrollado. Es necesario indicar que cada motor, segn su tamao o capacidad, tiene un torque o fuerza torsional mximo de trabajo llamado torque nominal.

El proyecto desarrollado contempl un software y hardware que permiten ser utilizados como herramientas para el anlisis de los motores elctricos, permitiendo obtener las grficas de respuestas de parmetros respecto al par desarrollado.

Entre las relaciones que se estudiaron se encuentran:

Velocidad vs. Torque Corriente vs. Torque Factor de Potencia vs. Torque Eficiencia vs. Torque Voltaje generado vs. corriente de excitacin

El laboratorio de mquinas elctricas cuenta con los siguientes mdulos de la marca De Lorenzo:

DL-1013M1 DL-1013M3 DL-1031 DL-10065 DL-10055 DL-20250 DL-1019M DL-1026A

Nota: Los equipos descritos son del laboratorio que se toma de referencia para la prueba, pues no se ha hecho un recuento de los equipos con los culaes cuenta nuestro laboratorio.

Estos mdulos se utilizan para funciones como medicin de tensiones, corrientes, potencias, mediciones mecnicas, alimentacin, etc.

Los mdulos DL-1013M1, de la marca Italiana: De Lorenzo son equipos didcticos que se encargan de proveer la alimentacin y las funciones principales de los bancos de prueba para mquinas elctricas. Las caractersticas del mdulo DL-1013M1 son:

Alimenta todas las tensiones CC y CA. Monofsicas y trifsicas, fijas y variables. Voltajes AC de salida variable 3 x 0-440 V, 5 A 3x0-240 V, 10 Tensin AC fija 3x380 V + N, 16 A Voltaje AC fijo estndar 220 V, 10 A Voltaje CC de salida variable 0-240 V, 10 A 0-225 V, 10 A Tensin CC de salida fija 220 V, 1 A Las salidas estn dotadas de proteccin magneto-trmica y salen sobre bornes aislados imperdibles. Proteccin general con interruptor magneto-trmico diferencial, llave de ascenso, botn de paro-marcha y emergencia y conector para la proteccin contra las velocidades de escape de las mquinas en prueba. Alimentacin del mdulo: 3 x 380 V + N, 50/60 hz.

El mdulo est capacitado para controlar los niveles de salida de voltaje a partir de instrucciones dadas por una PC. La forma de cmo se realizaba esta funcin es parte fundamental de esta investigacin.

Adems, con el mdulo DL-1013M1 conectado a una computadora ser posible realizar las siguientes pruebas:

Prueba de vaco, para determinar las prdidas mecnicas, (friccin y ventilacin) y del hierro (histresis y corrientes parsitas) Curvas de eficiencia vrs. Torque. Curvas factor de potencia vrs. Torque. Curvas velocidad vrs. Torque. Curva de consumo de corriente vrs. Torque Medicin de variables elctricas del motor: voltaje, corriente y potencia.

Curvas de respuesta de mquina elctrica.

La prueba de vaco es de gran importancia, esta prueba pone en evidencia las condiciones de trabajo del circuito magntico del motor, as como tambin para el clculo del rendimiento convencional. Esta prueba consiste en alimentar el motor asncrono a su tensin nominal, dejando que el motor gire libremente sin ningn par resistivo. En estas condiciones, las corrientes consumadas estn representadas por la suma vectorial de la corriente magnetizada y la pequea componente activa debida a las perdidas en el hierro.

La prueba en corto circuito tiene como objetivo principal determinar la intensidad de la corriente absorbida y el cos ( ); cuando el motor esta alimentado con el rotor bloqueado. El motor asncrono se considera en cortocircuito, porque los devanados del estator y del rotor se encuentran en perfecta similitud elctrica con el primario y el secundario de un transformador esttico que funciona en cortocircuito.

Para poder llevar a cabo este proyecto fue necesario el diseo y construccin de una interfaz entre la computadora, el mdulo y los sensores. Para proveer cierta independencia de la PC, se dise la interfaz de tal forma que se conecte al puerto paralelo de la computadora. A travs de un cable DB-25.

Fue necesaria tambin la creacin de una aplicacin de computadora que permita administrar tanto el funcionamiento del mdulo, como los datos provenientes del mismo y los sensores conectados a la mquina bajo prueba. Esta aplicacin fue creada en el lenguaje de programacin LabView, por sus excelentes capacidades grficas, de administracin de base de datos y comunicacin con puertos de la computadora. El resultado es un software que proporciona imgenes como las mostradas en la siguiente figura.

Imgenes de datos mquinas elctricas bajo prueba

Las curvas que se realizan con el sistema son:

Velocidad Vs. TorqueEsta relacin nos permite observar cmo cambia o se altera la velocidad segn la carga mecnica, la mayora de motores son bsicamente de velocidad constante y reducen muy poco su velocidad base o nominal con la carga al eje.

Corriente Vs. TorqueEsta relacin permite observar cmo se altera la corriente desde una condicin de vaco o sin carga al eje hasta aumentos significativos de corriente al aumentar la fuerza de torsin desarrollada por el motor hasta lograr condiciones de sobrecarga o peligro.

Para cada motor existe una condicin ptima de carga mecnica que producir una corriente nominal.

Factor de potencia Vs. TorqueEl factor de potencia F.P. es el retardo de la onda de corriente con respecto a la onda del voltaje debido a las bobinas en los motores, un gran retardo (bajo factor de potencia) tiene efectos negativos en los sistemas de distribucin de energa y as las compaas distribuidoras penalizan factores bajos de potencia cargando un valor extra en la facturacin.

La relacin de factor de potencia con la carga desarrollada por el motor es de suma importancia ya que un motor sin carga presenta bajos valores de F.P. Mientras que el motor operando a su carga plena o nominal producir el mayor factor de potencia posible.

Factor de potencia y eficiencia Vs. % de carga mecnica

Eficiencia Vs. TorqueLa eficiencia de una maquina es la indicacin de cuanta energa proveemos a un motor y cul es la energa til obtenida del mismo. Eficiencias tpicas para motores estn alrededor del 85 % con su carga nominal.

La eficiencia depende en gran manera de la fuerza torsional desarrollada por el motor. As un motor en vaco o sin carga tiene una eficiencia de cero. Es decir gastamos energa elctrica y no obtenemos un trabajo til.

Curva eficiencia Vs. Carga mecnica en el ejeLos datos o parmetros proporcionados por el mdulo DeLorenzo son:

ParmetroRelacin

Corriente de consumo del motor en Amperios1 Amperio representado por

Potencia Elctrica activa consumida por el motor en Watts.100 Watts representado por

Potencia mecnica en el eje En Newton- metro.1Newtonmetro representado por 1

Voltaje alterno aplicado al motor en voltios100 Vac representado por 1 V

Velocidad de la maquina (motor o generador) en RPM.1000 RPM representado por 1 V

DEFINICIN DEL PROBLEMAEl laboratorio de Mquinas Elctricas de la facultad de Ingeniera Elctrica y Electrnica de la UNI, posee entre sus equipos; los mdulos DL-1013M1 con sus respectivos accesorios y mdulos auxiliares. stos poseen la funcin de controlar en forma didctica, motores monofsicos y trifsicos. Este control puede efectuarse de forma manual o automtica. Sin embargo para operar este mdulo en forma automtica es necesario utilizar una computadora con una tarjeta ISA, debido a que el tipo de interfaz ISA esta descontinuado, la utilizacin de estos mdulos en forma automtica es nula.

Debido a esto es imposible obtener todas las ventajas que el equipo ofreca originalmente, como curvas factor de potencia, velocidad, corriente vrs. Torque, aceleracin, etc.

Nota: Se toma como referencia los equipos del laboratorio trabajados en ese informe, no necesariamente son los mismos que los de la facultad.

JUSTIFICACINSi se dispone de un software que permita visualizar la operacin de las mquinas elctricas sera posible incluir en las prcticas de laboratorio las tecnologas informticas para el anlisis de las curvas de comportamiento de los motores bajo diferentes condiciones de carga. Todo esto se traduce en una mejor comprensin de su estudio.Este software podr utilizarse como una herramienta para el aprendizaje en diferentes especialidadesdel rea tcnica: Ing. Elctrica, Electrnica Industrial, Mecatrnica y cursos de educacin continua.

HiptesisConstruir un circuito de interfaz capaz de manejar y leer datos del mdulo didctico, e introducir esta informacin en una computadora, utilizando el puerto paralelo.

Elaborar un programa de aplicacin que interprete y muestre los resultados de las pruebas aplicadas al equipo bajo prueba.

AntecedentesExisten muchas interfaces y software que realizan las funciones descritas en este proyecto, sin embargo el propsito del mismo es aprovechar el equipo existente sin realizar los comunes desembolsos de un equipo nuevo con estas caractersticas.

Por otra parte realizar una interfaz de este tipo, permite a la institucin, personalizar las funciones del aparato. De este modo puede darse mayor nfasis en aspectos que as lo requieran segn los contenidos de nuestra currcula de estudios.

Metodologa de InvestigacinEn primera instancia, para esta investigacin se realiz un sondeo del estado de los equipos (mdulos); posteriormente se revisaron los contenidos de las guas de laboratorio, para determinar las pruebas que son necesarias realizar a travs de la computadora.

Una vez determinados estos parmetros se procedi a disear una interfaz que permita conectar el mdulo a la PC, permitiendo realizar las funciones detectadas en la fase anterior y las mencionadas en el marco terico de este documento. Con esta fase se cubri el primer objetivo especfico de esta investigacin.

Al mismo tiempo que se elaboraba la interfaz se comenz a disear una aplicacin de software en LabView. Con esta etapa se alcanzar el segundo objetivo especfico de este proyecto.

Posteriormente se ensambl el sistema, y se procedi a realizar las pruebas y ajustes del sistema.

ResultadosSe dise el software de adquisicin de datos y control en ambiente grfico con diversas pruebas de anlisis de comportamiento del motor.

Se elaboraron los circuitos de acople entre la tarjeta interfaz a computadora y los mdulos de potencia ya disponibles en los entrenadores del laboratorio de mquinas elctricas.

Al trmino del proyecto se cuenta con un banco de pruebas de motores elctricos, operado desde una computadora para visualizar grficamente sus parmetros y almacenar los datos registrados en formato de Microsoft Excel.

Este banco se utilizara para comprobar el estado de los motores elctricos tanto de corriente alterna como de corriente continua y para las prcticas de laboratorio de materias o mdulos tales como: Mquinas elctricas, Mantenimiento elctrico, Control de motores y cursos de educacin continua.

CONCLUSIONESLos programas de instrumentacin virtual basados en ambiente grfico permiten visualizar la operacin de las maquinas elctricas en las prcticas de laboratorio utilizando las tecnologas informticas para el anlisis de las curvas de comportamiento de los motores y generadores elctricos bajo diferentes condiciones de carga. A fin de mejorar la comprensin de su estudio.

La funcin de almacenamiento de los datos de las pruebas en archivo permite una elaboracin automtica en hoja de clculos o grficas, agilizando el proceso de toma de datos que pudiera hacerse con instrumentos analgicos y/o digitales.

El software desarrollado puede utilizarse como una herramienta de aprendizaje en diferentes especialidades del rea tcnica.

RecomendacionesSe recomienda utilizar el proyecto en las prcticas de laboratorio de las materias o mdulos tales como maquinas elctricas, motores y controles y mquinas sncronas, a fin de observar las curvas de comportamiento de las mquinas rotativas.

Utilizar el proyecto para el estudio del diseo de circuitos de adquisicin de datos as como de la aplicacin de los amplificadores operacionales en el acondicionamiento o amplificacin Se de seales y las tcnicas de reduccin de ruido en las seales.

Analizar el proyecto como un caso de estudio del diseo de proyectos utilizando software de adquisicin y control de datos, adems de supervisin y control.

Glosario

Amperio o ampere es la unidad de intensidad de corriente elctrica. Forma parte de las unidades bsicas en el Sistema Internacional de Unidades. El amperio es una corriente constante que, si es mantenido en dos conductores paralelos de largo infinito, circular y colocado a un metro de distancia en un vaco, producira entre esos conductores una fuerza igual a 2107 newton por metro de largo.

Conexin Delta La conexin en delta es una conexin muy usada debido a la carencia del neutro lo cual permite poner o quitar cargas en una sola fase. Consiste en interconectar los devanados de un transformador, motor o carga elctrica de tal forma que la terminal nmero 1 de cada devanado. se conecta al terminal nmero 2 del siguiente devanado.

Conexin Estrella Las corrientes trifsicas se generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o grupos de bobinas, arrolladas sobre tres sistemas de piezas polares equidistantes entre s. El retorno de cada uno de estos circuitos o fases se acopla en un punto, denominado neutro, donde la suma de las tres corrientes, si el sistema est equilibrado, es cero, con lo cual el transporte puede ser efectuado usando solamente tres cables. En forma prctica una conexin estrella muestra en forma independiente los terminales nmero 1 de diferentes devanados de un transformador, motor o carga, y agrupa en un solo punto los terminales nmero 2, a este punto se conecta tambin el neutro del sistema.

Factor de Potencia (f.d.p.) de un circuito de corriente alterna, se define como la relacin entre la potencia activa P y la potencia aparente S, o bien como el coseno del ngulo que forman los fasores de la intensidad (corriente) y el voltaje, d valor de dicho ngulo.

LabVIEW de National Instruments proporciona un potente entorno de desarrollo grfico para el diseo de aplicaciones de adquisicin de datos, anlisis de medidas y presentacin de datos, ofreciendo una gran flexibilidad gracias a un lenguaje de programacin sin la complejidad de las herramientas de desarrollo tradicionales. LabVIEW es una herramienta grfica de test, control y diseo mediante la programacin. El lenguaje que usa se llama lenguaje G. Este programa fue creado por National Instruments (1976) para funcionar sobre mquinas MAC, sali al mercado por primera vez en 1986. Ahora est disponible para las plataformas Windows, UNIX, MAC y Linux y va por la versin 8.5 con soporte para Windows Vista. Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de su uso en origen: el control de instrumentos. El lema de LabVIEW es: "La potencia est en el Software". Entre sus objetivos estn el reducir el tiempo de desarrollo de aplicaciones de todo tipo (no slo en mbitos de Test, Control y Diseo) y el permitir la entrada a la informtica a programadores no expertos. Esto no significa que la empresa haga nicamente software, sino que busca combinar este software con todo tipo de hardware, tanto propio (tarjetas de adquisicin de datos, PAC, Visin, y otro Hardware) como de terceras empresas.

Monitoreo Es la accin de medir y obtener datos en forma programada de los parmetros que inciden o modifican un proceso, o de la emisin, o los efectos de conocer la variacin de la concentracin o nivel de este parmetro en el tiempo.

Potencia Activa Es la potencia que representa la capacidad de un circuito para realizar un proceso de transformacin de la energa elctrica en trabajo. Los diferentes dispositivos elctricos existentes convierten la energa elctrica en otras formas de energa tales como: mecnica, lumnica, trmica, qumica, etc. Esta potencia es, por lo tanto, la realmente consumida por los circuitos. Cuando se habla de demanda elctrica, es esta potencia la que se utiliza para determinar dicha demanda. Se le designa con la letra P y se expresa en Watts.

Potencia Aparente La potencia aparente (tambin llamada compleja) de un circuito elctrico de corriente alterna es la suma (vectorial) de la energa que disipa dicho circuito en cierto tiempo en forma de calor o trabajo y la energa utilizada para la formacin de los campos elctricos y magnticos de sus componentes que fluctuara entre estos componentes y la fuente de energa. Esta potencia no es la realmente consumida, salvo cuando el factor de potencia es la unidad (cos=1), y seala que la red de alimentacin de un ci consumida por los elementos resistivos, sino que tambin ha de contarse con la que van a "almacenar" bobinas y condensadores. Se la designa con la letra S y se mide en voltiamperios (VA).

Potencia Reactiva Esta potencia no tiene tampoco el carcter realmente de ser consumida y slo aparecer cuando existan bobinas o condensadores en los circuitos. La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo til. Por ello que se dice que es una potencia desvatada (no produce vatios), se mide en voltamperios reactivos (VAR) y se designa con la letra Q.

Transformador mquina electromagntica que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensin en un circuito elctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin prdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las mquinas reales presentan un pequeo porcentaje de prdidas, dependiendo de su diseo y tamao.

Vatio o Watt es la unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades. Su smbolo es W. Es el equivalente a 1 julio por segundo (1 J/s) y es una de las unidades derivadas. Expresado en unidades utilizadas en electricidad, el vatio es la potencia producida por una diferencia de potencial de 1 voltio y una corriente elctrica de 1 amperio (1 VA). La potencia elctrica de los aparatos elctricos se expresa en vatios, si son de poca potencia, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilovatios (kW) que equivale a 1000 vatios. Un kW equivale a 1,35984 CV (Caballos de vapor).

Voltio se define como la diferencia de potencial a lo largo de un conductor cuando una corriente con una intensidad de un amperio utiliza un vatio de potencia. El voltio tambin puede ser definido como la diferencia de potencial existente entre dos puntos tales que hay que realizar un trabajo de 1 julio para trasladar del uno al otro la carga de 1 culombio.

BIBLIOGRAFIA

Boylestad, Robert L.Introduccin al Anlisis de CircuitosPrentice HallMxico, 2004

Caughlin, Robert F. y Driscall, Frederick F.Circuitos Integrados Lineales Y Amplificadores OperacionalesPearson Prentice Hall.Mxico, 1999

Malvino, Albert P.Principios de Electrnica 6 Ed.McGraw-Hill Book CompanyEspaa, 2002

Chapman StephenFundamentos de Mquinas Elctricas 3 Ed.McGraw-Hill Book CompanyMexico, 2000

Monografias.com. 2008. Factor de Potencia. Consultado 12-Jun-2008. Disponible en http://www.monografias.com/trabajos14/factorpotencia/factorpotencia.shtml