ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORAL

Facultad de Ingeniera en Electricidad y Computacin

MONITOREO Y CONTROL DE SEALES DE LOS

GENERADORES ELCTRICOS DC Y AC DEL

LABORATORIO DE ELECTRNICA DE POTENCIA DE LA

FIEC BASADO EN LA PLATAFORMA DE PROGRAMACIN

LABVIEW

INFORME DEL PROYECTO DE INSTRUMENTACIN

INDUSTRIAL

Presentado por:

Oscar Daniel Veloz Segarra

GUAYAQUIL ECUADOR

II TERMINO AO 2013

INDICE:

INDICE: ................................................................................................................................................ 2

DESCRIPCIN DEL PROYECTO ............................................................................................................. 3

JUSTIFICACIN .................................................................................................................................... 5

OBJETIVOS GENERALES ....................................................................................................................... 6

OBJETIVOS ESPECFICOS ...................................................................................................................... 6

METODOLOGA.................................................................................................................................... 6

PARAMETRIZACIN DEL DRIVER: .................................................................................................... 7

EXPERIMENTO UNO: ....................................................................................................................... 8

EXPERIMENTO DOS: ...................................................................................................................... 10

EXPERIMENTO TRES: ..................................................................................................................... 12

EXPERIMENTO CUATRO: ............................................................................................................... 15

EXPERIMENTO CINCO: ................................................................................................................... 17

OBSERVACIONES ............................................................................................................................... 20

ANEXOS ............................................................................................................................................. 21

FOTOS ............................................................................................................................................ 21

DESCRIPCIN DEL PROYECTO

Fig. 1 Equipos de los experimentos

Este proyecto realiza el control del voltaje generado de Generadores DC y AC acoplados a un

primomotor MIJA que ser manejado por un VFD (Driver DANFOSS). El VFD ser operado en Lazo

Abierto porque ser comandado automticamente por el controlador de Labview.

Realimentaremos las seales a controlar mediante una tarjeta electrnica seguidor de voltaje que

asla pticamente las seales del generador con la DAQ para protegerla. Esta tarjeta electrnica

est basada en un chip integrado IL300 que es un optoacoplador lineal.

Los equipos que usaremos se aprecian en la Fig. 1. Ellos son:

PC con Labview

DAQ NI6009

Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador

2 MIJA Carpanelli

2 Osciloscopios y Multmetro

Autotransformador MV1103 para reducir la tensin del Voltaje AC generado

Banco de Capacitores MV1102

Restato MV1961

Mquina Sncrona

MV1300 fuente de 220Vdc y 3.5Adc constante para excitar el campo de la Mquina

Sncrona

A continuacin detallamos en las Fig. 2 y 3 el panel del Driver DANFOSS junto con las partes que

usaremos.

Fig. 2 Panel del DANFOSS FC302

Fig. 3 Panel Elctrico del Drive DANFOSS FC302

JUSTIFICACIN

Esta idea surgi a partir del proyecto ya existente en el LABORATORIO DE ELECTRNICA DE

POTENCIA que consista en un panel elctrico para el Variador de Frecuencia de motores de

induccin DANFOSS FC302. Este drive tiene la opcin de hacer un control PID a una variable de

Tarjeta de

acondicionamiento

optoacopladora que

realimenta la seal de

proceso hacia la

entrada analgica AI1

de la DAQ para

llevarla a una PC con

LABVIEW

Entrada analgica 53

del Drive DANFOSS

que recibe la seal de

mando desde la salida

analgica AO0 de la

DAQ

Termin

ales

U,V,W

al

motor

MIJA

proceso, lo cual se implement en las prcticas de este laboratorio usando una entrada analgica

de 0-10V. Entonces en este proyecto se reemplaz el control PID del Drive por el de Labview

haciendo operar al Drive en Lazo Abierto.

OBJETIVOS GENERALES

o Realizar un control del voltaje generado por diferentes mquinas elctricas rotativas AC y

DC manejando la velocidad del primomotor MIJA mediante el Drive DANFOSS FC302, que

ser comandado por el controlador PID de Labview.

o Aplicar el Mtodo de Ziegler-Nichols para el tunning del PID.

OBJETIVOS ESPECFICOS

o Control en Lazo Abierto de Velocidad del motor MIJA

Manejando con el Drive la MIJA como primomotor realizar el Control en Lazo Cerrado de:

El Voltaje generado por la Mquina DC

La frecuencia del voltaje generado por la MIJA

La frecuencia del voltaje generado por la Mquina Sncrona

La amplitud del voltaje generado por la Mquina Sncrona

METODOLOGA

ESQUEMA DEL SISTEMA:

El Driver DANFOSS trabaja en Lazo Abierto y el controlador ser Labview.

seal de mando (0-

5 V) a la entrada

analgica del Driver

PID

Actuador:

Driver

DANFOSS

Sensor: Autotrafo -

Tarjeta Optoacopladora

Set Point -

+

Labview

Primomotor -

Generado

SEALES DE MANDO Y DE PROCESO:

En el esquema de control automtico tenemos dos seales importantes:

Seal de mando: siempre ser el voltaje de 0V-5V que ir a la entrada analgica 53 de la Danfoss,

la cual est configurada directamente proporcional a la velocidad segn los parmetros 6-10, 6-11,

6-14 y 6-15.

Seal a controlar o de proceso: depende del experimento.

Como slo estas dos seales son respectivamente de entrada y de salida al sistema actuador-

planta entonces s podemos aplicar la estrategia de control PID (para sistemas SISO: Single Input -

Single Output).

MTODO DE ZIEGLER-NICHOLS:

Una vez encontrada la Constante Proporcional Crtica (Kcr) que ocurre cuando ya empieza a dejar

de oscilar descontroladamente la seal real (con tiempo de integracin infinito y tiempo derivativo

cero), medimos visualmente (directamente de la grfica que Labview nos da de la seal real vs

tiempo) el Perodo Crtico (Pcr), o sea el perodo constante de las pequeas oscilaciones que an

quedan.

Ziegler-Nichols Kc Ti Td

P 0.5Kcr inf 0

PI 0.45Kcr Pcr/1.2 0

PID 0.6Kcr 0.5Pcr 0.125Pcr

PARAMETRIZACIN DEL DRIVER: El VFD DANFOSS nicamente manejar al motor MIJA Carpanelli para estos experimentos.

La parametrizacin previa que debemos hacer al VFD DANFOSS es sta:

Resetear Danfoss con Par. 14-22 [2] Inicializacin.

Ingresar parmetros nominales del motor (con velocidad nominal 1400 RPM) y realizar

AMA completo.

Par. 1-00 Lazo Abierto

Par. 3-00 Min-Max

Par. 3-02 0 RPM

Par. 3-03 1400 RPM

Par. 3-13 Remoto

Par. 3-15 entrada analgica 53

Par. 3-19 0 RPM

Par. 3-15 entrada analgica 53

Par. 3-15 entrada analgica 53

Par. 4-10 izq-der

Par. 4-19 50 Hz

Par. 4-13 1400 RPM

Par. 4-19 50 Hz

Par. 6-10 0.07 V

Par. 6-11 5 V

Par. 6-14 0 RPM

Par. 6-15 1400 RPM

EXPERIMENTO UNO: "Control en Lazo Abierto de Velocidad del motor MIJA"

En Lazo abierto se variar la velocidad del motor MIJA con switches virtuales que simulen las

velocidades preseleccionadas (pasos discretos) o mediante un slider (rango continuo).

Fig. 4 Front Panel del VI del experimento uno

Fig. 5 Foto real del display del Drive de la referencia al

ejecutar las velocidades preseleccionadas.

Para la operacin con el slider tenemos la siguiente programacin:

Fig. 6 Block Diagram del VI del experimento uno con slider

Para la operacin con las velocidades preseleccionadas tenemos la siguiente programacin:

Fig. 7 Block Diagram del VI del experimento uno con velocidades preseleccionadas

EXPERIMENTO DOS: " Control del Voltaje generado por la Mquina DC"

Materiales:

DAQ NI6009

Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador

MIJA Carpanelli

Motor DC

2 Osciloscopios y Multmetro

Restato MV1961 para reducir la tensin del Voltaje DC generado

Fig. 8 Block Diagram del VI del experimento dos

Fig. 9 Front Panel del VI del experimento dos

TUNNING PID

Aplicamos el ya citado Mtodo de Ziegler-Nichols:

Kcr = 10 Ti (min) = 9999999

Perodo Pcr = 1 seg

Frecuencia Fcr = 1 Hz

Kc Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min)

P 5 inf 0 inf 0

PI 4.5 0.83333333 0 0.01388889 0

PID 6 0.5 0.125 0.00833333 0.00208333

Tambin funciona bien con este otro tunning:

Kcr = 75 Ti (min) = 9999999

Perodo Pcr = 9.25 seg

Frecuencia Fcr = 0.10810811 Hz

Kc Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min)

P 37.5 inf 0 inf 0

PI 33.75 7.70833333 0 0.12847222 0

PID 45 4.625 1.15625 0.07708333 0.01927083

EXPERIMENTO TRES: "Control de la frecuencia del voltaje generado por la MIJA"

Materiales:

DAQ NI6009

Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador

2 MIJA Carpanelli

2 Osciloscopios y Multmetro

Autotransformador MV1103 para reducir la tensin del Voltaje AC generado

Banco de Capacitores MV1102

Conexin de Materiales

El Banco de Capacitores MV1102 deben estar en su mximo valor de capacitancia (nmero 6) para

poder reducir lo ms posible el voltaje AC generado sin perderlo por completo. Al seleccionar un

valor de capacitancia nmero 6 se obtendr los mayores niveles de corriente AC generada (6.9A

que s lo resiste el motor MIJA porque tiene Inom=6.95A).

El Banco de Capacitores lo conectamos en delta en paralelo al motor MIJA (como si fuese una

carga). Luego reducimos el voltaje Vab del estator del generador MIJA mediante el

Autotransformador MV1103, que lo realimentaremos hacia la computadora mediante la tarjeta

optoacopladora; para ello ajustaremos el tap del autotrafo al extremo para reducir al mnimo la

tensin AC generada. Dar alrededor de 5V pico, lo cual la DAQ si lo tolera (mx 10V pico).

Fig. 10 Block Diagram del VI del experimento tres

Fig. 11 Front Panel del VI del experimento tres

TUNNING PID

Aplicamos el ya citado Mtodo de Ziegler-Nichols:

Kcr = 0.09

Pcr (s) = 1.9

Fcr (Hz) = 0.52631579

Kc Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min)

P 0.045 inf 0 inf 0

PI 0.0405 1.58333333 0 0.02638889 0

PID 0.054 0.95 0.2375 0.01583333 0.00395833

Previo a decidir si ser factible aplicar la estrategia de control PID se debe hacer siempre una

grfica de la seal a controlar (seal de proceso) vs la seal de mando (que en todos estos

experimentos es la velocidad) para comprobar su linealidad y escoger un rango de operacin. A

continuacin mostramos dicha grfica correspondiente a este experimento:

EXPERIMENTO CUATRO: " Control de la frecuencia del voltaje generado por la Mquina Sncrona"

Materiales:

DAQ NI6009

Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador

MIJA Carpanelli

Mquina Sncrona

1 Osciloscopio y Multmetro

Autotransformador MV1103 para reducir la tensin del Voltaje AC generado

MV1300 fuente de 220Vdc y 3.5Adc constante para excitar el campo de la Mquina

Sncrona

Conexin de Materiales:

El Autotransformador MV1103 debe estar graduado al mnimo, como en el experimento anterior.

34

36

38

40

42

44

46

48

1000 1100 1200 1300 1400 1500

Hz

RPM

Frecuencia Generada vs Velocidad

frec vs RPM

Fig. 12 Block Diagram del VI del experimento cuatro

Fig. 13 Front Panel del VI del experimento cuatro

TUNNING PID

Aplicamos el ya citado Mtodo de Ziegler-Nichols para hallar las constantes del PID que usaremos

tanto en el 4to como en el 5to experimento porque se trata de la misma planta slo que se

controlar seales distintas.

Kcr = 0.09 Ti (min) = 9999999

Perodo Pcr = 1.8 seg

Frecuencia Fcr = 0.55555556 Hz

Kc Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min) P 0.045 inf 0 Inf 0 PI 0.0405 1.5 0 0.025 0 exp cuatro

PID 0.054 0.9 0.225 0.015 0.00375 exp cinco

EXPERIMENTO CINCO: "Control de la amplitud del voltaje generado por la Mquina Sncrona"

Materiales:

DAQ NI6009

Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador

MIJA Carpanelli

Mquina Sncrona

1 Osciloscopio y Multmetro

Restato MV1961

Autotransformador MV1103 para reducir la tensin del Voltaje AC generado

MV1300 fuente de 220Vdc y 3.5Adc constante para excitar el campo de la Mquina

Sncrona

Conexin de Materiales:

El conjunto Autotransformador MV1103 y Restato MV1961 deben estar graduados de tal manera

que tengamos un voltaje alterno dentro de los lmites para la tarjeta optoacopladora (+-10V) que

son los mismos lmites de la tarjeta DAQ. Por ejemplo: a 1400RPM (generando 129Vrms) graduar

el Autotransformador para tener 28Vrms, y graduar el Restato (al 20%) para tener 5.66Vrms.

Fig. 14 Block Diagram del VI del experimento cinco

Fig. 15 Front Panel del VI del experimento cinco

A continuacin mostramos los valores tomados (en lazo abierto) de la seal de proceso (amplitud

RMS del voltaje generado) vs la seal de mando (velocidad), tanto antes como despus de

reducirla con el restato.

Velocidad Vrms

Generado real

Vrms Generado reducido

RPM Vrms Vrms

1400 129 4.51

1350 124 4.38

1300 120 4.23

1250 115 4.09

1200 110 3.95

1150 106 3.82

1100 101 3.67

1050 96 3.54

1000 91 3.41

900 82 3.13

800 73 2.85

700 64 2.60

600 60 2.34

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

500 700 900 1100 1300 1500

Vrms real vs RPM

TUNNING PID

Ya hemos hallado en el experimento 4to las constantes respectivas.

Kc Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min) P 0.045 inf 0 inf 0 PI 0.0405 1.5 0 0.025 0 exp cuatro

PID 0.054 0.9 0.225 0.015 0.00375 exp cinco

OBSERVACIONES

El control de frecuencia del voltaje generado (experimento 3 y 4) result bastante satisfactorio

puesto que dio una dinmica sobreamortiguada casi sin oscilaciones, a diferencia del control de

amplitud del voltaje generado (experimento 5) en donde no llega a establecerse la seal real en un

valor fijo.

El Mtodo de Ziegler-Nichols fue muy prctico y sencillo de aplicar a todos estos experimentos

para el tunning del PID, para lo cual tuvimos que usar una regla milimetrada ponindola encima

del monitor para medir el tiempo del perodo de las oscilaciones seal real.

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

500 700 900 1100 1300 1500

Vrms reducido vs RPM

ANEXOS

FOTOS

Fig. 16 Tarjeta de Adquisicin para USB llamada DAQ NI6009

Fig. 17 Tarjeta Electrnica Optoacopladora del Panel DANFOSS FC302 usada para los experimentos

Fig. 18 Conjunto Motor (MIJA) y Generador (MIJA) con banco de

capacitores

Fig. 19 Equipos del Experimento: Control de Frecuencia del Generador (MIJA)

Fig. 20 Conexin del Panel a la DAQ (una entrada AI1, una salida AO0)