Yosif F Castro Mayan_C725!0!2011

ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA UNIDAD ACADEMICA COCHABAMBA

CARRERA ING. EN SISTEMAS ELECTRONICOS

TRABAJO DE GRADO

DISEO DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE VARIABLES ELECTRICAS DE VOLTAJE Y CORRIENTE PARA DETERMINAR EL

FACTOR DE POTENCIA REGISTRANDO LA INFORMACIN DE CONSUMOS Y VERIFICANDO EL BALANCE DE FASES DE CADA UNA DE LAS MAQUINARIAS DE INYECCIN Y SOPLADO DE LA

EMPRESA LUJAN.

YOSIF FERNANDO CASTRO MAYAN

COCHABAMBA, 2011

ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA

UNIDAD ACADEMICA COCHABAMBA INGENIERIA EN SISTEMAS ELECTRONICOS

TRABAJO DE GRADO

DISEO DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE VARIABLES ELECTRICAS DE VOLTAJE Y CORRIENTE PARA DETERMINAR EL

FACTOR DE POTENCIA REGISTRANDO LA INFORMACIN DE CONSUMOS Y VERIFICANDO EL BALANCE DE FASES DE CADA UNA DE LAS MAQUINARIAS DE INYECCIN Y SOPLADO DE LA

EMPRESA LUJAN.

YOSIF FERNANDO CASTRO MAYAN

TRABAJO DE GRADO PRESENTADO COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TTULO DE LICENCIATURA EN INGENIERA EN SISTEMAS ELECTRNICOS.

TUTOR: ING. MSC. RAL BALDERRAMA COCA

COCHABAMBA, 2011

DEDICATORIA:

A mi Pap (Jorge), mi amigo, acompaante y

consejero cuyo constante sacrificio y apoyo me

ayudaron a superarme y llegar al punto en el que

me encuentro.

A mi Mam (Ana), quien representa el amor, la

abnegacin, la comprensin, la dedicacin y

entrega que inspiran e impulsan el seguir

adelante y pasar por alto los momentos ms

difciles

A mi hermano (Eiber) por los consejos apoyo y

solidaridad.

A todos aquellos que pusieron su confianza en

m.

AGRADECIMIENTOS

A Dios por darme la vida, salud y fuerza para afrontar las adversidades y dificultades.

A mi casa de estudios superiores EMI, por acogerme en su seno durante el tiempo

de preparacin para forjarme como ingeniero.

A mis queridos padres por su cario, apoyo y confianza permanente.

A mi hermano por sus inagotables ganas de colaboracin.

A Claudia por brindarme palabras de aliento y ayuda.

A mi tutor (Ing. Ral Balderrama), por su paciencia, confianza, tiempo y pertinente

orientacin para el desarrollo del presente trabajo.

A mis revisores (Ing. Jos Tancara) e (Ing. Eduardo Herrera) por su colaboracin y

gua.

Al docente de taller de grado (Ing. Federico Andia), por sus tiles consejos y ayuda

incondicional.

A todos mis compaeros de curso por la camaradera, la fraternidad y sana

complicidad durante nuestro tiempo de estudio.

Finalmente a todas las personas que contribuyeron de una u otra forma en la

elaboracin de este documento.

RESUMEN EJECUTIVO

El presente proyecto tiene por objeto disear un sistema de monitoreo basado en

microcontroladores, est constituido por cuatro partes fundamentales que son:

acondicionamiento de seales, procesamiento digital de seales, comunicacin

serial, y el software de monitoreo.

El sistema es capaz de medir variables de voltaje y corriente en maquinarias

trifsicas y a partir de estos datos obtenidos determinar el factor de potencia,

potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente y la energa que se consume en

las maquinarias y determinar si existe balance de fases en las lneas trifsicas.

El sistema se encarga de enviar mediante una red de comunicacin serial en

topologa, tipo bus, todos los datos hacia un microcontrolador maestro, que tiene la

capacidad de: visualizar las variables mencionadas; desplegar alarmas en caso de

mal funcionamiento de una maquina; enviar hacia un computador los datos para que

se monitoreen y almacenen en una base de datos.

El proyecto entonces se constituye en una herramienta para registrar variables

elctricas, capaz de advertir al personal de mantenimiento de la empresa sobre el

correcto o mal funcionamiento de la maquina, que permita la verificacin del correcto

funcionamiento de todas las maquinarias elctricas observadas, dentro el margen

permitido, caso contrario el sistema emite alarmas que informe al personal para que

este pueda reaccionar de forma inmediata. Con esto se logra prevenir cualquier

malfuncionamiento de las mismas y evitar prdidas econmicas.

Palabras Clave: Sistema, monitoreo, variable elctrica, corriente, voltaje, factor de potencia, potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente, base datos y alarma.

i

NDICE

CONTENIDO Pg.

1. GENERALIDADES. ..................................................................................... 1 1.1. INTRODUCCIN. ........................................................................................ 1 1.2. ANTECEDENTES. ....................................................................................... 2 1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................... 3 1.3.1. Identificacin del problema. .......................................................................... 3 1.3.2. Formulacin del problema. ........................................................................... 3 1.4. OBJETIVOS ................................................................................................. 3 1.4.1. Objetivo general. .......................................................................................... 3 1.4.2. Objetivos especficos. .................................................................................. 4 1.4.3. Objetivos especficos y acciones. ................................................................. 4 1.5. JUSTIFICACIN. ......................................................................................... 7 1.5.1. Justificacin tcnica. .................................................................................... 7 1.5.2. Justificacin econmica. .............................................................................. 7 1.5.3. Justificacin social. ....................................................................................... 7 1.6. ALCANCES ................................................................................................. 7 1.6.1. Alcance temtico. ......................................................................................... 8 1.6.2. Alcance geogrfico. ...................................................................................... 8 1.6.3. Alcance temporal. ......................................................................................... 8 2. MARCO TERICO 2.1. CONTENIDO TEMTICO. ........................................................................... 9 2.2. DESARROLLO DEL MARCO TERICO .................................................. 12 2.2.1. Redes elctricas trifsicas. ......................................................................... 12 2.2.1.1. Tipos de conexin en sistemas trifsicos. .................................................. 13 2.2.1.2. Anlisis de circuitos .................................................................................... 14 2.2.1.3. Tensiones en sistemas perfectos. .............................................................. 18 2.2.1.4. Conexin estrella equilibrada. .................................................................... 19 2.2.1.5. Conexin en tringulo equilibrado .............................................................. 22 2.2.1.6. Conexin estrella desequilibrada con neutro.............................................. 25 2.2.1.7. Conexin estrella desequilibrada sin neutro. .............................................. 27

ii

2.2.2. Maquinarias de inyeccin y soplado. .......................................................... 29 2.2.2.1. Maquinarias de inyeccin. .......................................................................... 29 2.2.2.2. Maquinarias de soplado. ............................................................................ 31 2.2.3. Balance de fases en maquinarias. ............................................................. 32 2.2.3.1. Causas de desbalance de fases. ............................................................... 33 2.2.4. Circuitos y dispositivos de medicin de parmetros elctricos de corriente y

voltaje. ........................................................................................................ 34 2.2.4.1. Transformadores de corriente (CT). ........................................................... 34 2.2.4.2. Transformadores de voltaje. ....................................................................... 35 2.2.4.3. Resistencia de Shunt. ................................................................................ 37 2.2.4.4. Circuitos de acondicionamiento de seal para medicin de corriente y

voltaje ......................................................................................................... 39 2.2.4.5. Determinacin del condensador en un rectificador de onda completa. ...... 52 2.2.5. Factor de potencia. ..................................................................................... 58 2.2.5.1. Potencia activa ........................................................................................... 59 2.2.5.2. Potencia reactiva. ....................................................................................... 59 2.2.5.3. Potencia aparente. ..................................................................................... 59 2.2.5.4. Potencia en circuitos trifasicos. .................................................................. 60 2.2.6. Filtros electrnicos y circuitos de proteccin para el sistema. .................... 63 2.2.6.1. Filtros electrnicos. .................................................................................... 63 2.2.6.2. Clasificacin ............................................................................................... 63 2.2.6.3. Diseo de filtros pasivos............................................................................. 65 2.2.7. Microcontroladores. .................................................................................... 73 2.2.7.1. Arquitectura. ............................................................................................... 74 2.2.7.2. Clasificacin de microcontroladores. .......................................................... 74 2.2.7.3. MSSP (Master synchronous serial port). .................................................... 78 2.2.7.4. Modulo de comunicacin SPI. .................................................................... 79 2.2.7.5. Modulo MSSP trabajando en modo I2C. .................................................... 79 2.2.7.6. Modulo de conversin Anlogo Digital A/D. ........................................... 80 2.2.8. Comunicacin serial. .................................................................................. 81 2.2.8.1. Estndar RS-232. ...................................................................................... 81 2.2.8.2. Transferencia de datos con RS-232. .......................................................... 83

iii

2.2.8.3. Estndar RS-485. ....................................................................................... 84 2.2.9. Topologas de comunicacin de red. .......................................................... 85 2.2.9.1. Topologa de bus. ....................................................................................... 86 2.2.9.2. Topologa de anillo. .................................................................................... 86 2.2.9.3. Topologa de estrella. ................................................................................. 87 2.2.9.4. Topologa en malla. .................................................................................... 87 2.2.10. Software para el desarrollo del sistema de monitoreo. ............................... 88 2.2.10.1. Visual Basic. ............................................................................................... 88 2.2.10.2. Microsoft Access. ....................................................................................... 88 2.2.10.3. C# (C SHARP) ........................................................................................... 89 3. MARCO PRCTICO. 3.1. ANALISIS DE LA RED ELCTRICA TRIFASICA DE LA EMPRESA. ..... 91 3.1.1. Parmetros elctricos. ................................................................................ 92 3.1.1.1. Tensin de alimentacin. ........................................................................... 92 3.1.1.2. Equipo de transformacin........................................................................... 92 3.1.1.3. Equipo de medicin. ................................................................................... 92 3.1.2. Plano de distribucin de la empresa. ......................................................... 92 3.1.3. Potencia del transformador. ....................................................................... 93 3.2. DISEO DEL MODULO DE ADQUISICIN DE VARIABLES ELCTRICAS

DE CORRIENTES Y VOLTAJES. .............................................................. 98 3.2.1. Acondicionamiento de seales de corriente. .............................................. 99 3.2.2. Acondicionamiento de seales de voltaje. ............................................... 112 3.2.3. Circuito de deteccin por cruces por cero de voltaje y corriente. ............. 116 3.2.4. Determinacin del ngulo de desfase entre seales de voltaje y corriente.

................................................................................................................. 118 3.2.5. Determinacin del ngulo de desfase entre seales de voltaje y voltaje. 120 3.2.6. Diseo de la fuente de alimentacin de voltaje para los instrumentos de

medicin, procesamiento de seales y transmisin. ................................ 122 3.3. DISEO DEL MDULO DE PROCESAMIENTO DE SEALES

ELCTRICAS. ......................................................................................... 128 3.4. DISEO DEL MODULO DE COMUNICACIN SERIAL PC-UC. ............ 133

iv

3.5. DISEO DE LA TOPOLOGA PARA LA RED DE COMUNICACIN SERIAL. ................................................................................................... 135

3.6. DESARROLLO DEL SOFTWARE DEL SISTEMA DE MONITOREO. .... 136 3.7. PRUEBA Y CALIBRACIN DEL SISTEMA. ........................................... 139 3.7.1. Calibracin de la etapa de amplificacin del acondicionamiento de seal de

corriente. .................................................................................................. 139 3.7.2. Pruebas de la deteccin por cruce de cero y multiplexor y compuerta XOR.

................................................................................................................. 140 3.7.3. Conversin anloga digital de seal pulsante de los acondicionamientos de

voltaje y corriente. .................................................................................... 141 3.8. MANUAL DEL SISTEMA. ........................................................................ 142 3.8.1. Instalacin y montaje. ............................................................................... 142 3.8.2. Modo de utilizacin. .................................................................................. 144 4. COSTOS. 4.1. COSTOS DIRECTOS ............................................................................... 154 4.1.1. Anlisis del modulo de acondicionamiento de seales elctricas. ........... 154 4.1.2. Anlisis del mdulo de procesamiento de seales. .................................. 155 4.1.3. Anlisis del mdulo de comunicaciones ................................................... 155 4.1.4. Anlisis del mdulo de alimentacin ........................................................ 156 4.1.5. Costos del software de monitoreo. ........................................................... 156 4.2. COSTOS INDIRECTOS ........................................................................... 159 4.3. ANLISIS COSTO BENEFICIO. ............................................................. 160 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 5.1. CONCLUSIONES .................................................................................... 162 5.2. RECOMENDACIONES. ........................................................................... 163 BIBLIOGRAFIA. ..................................................................................................... 164 GLOSARIO ............................................................................................................. 165

v

INDICE DE TABLAS

CONTENIDO Pg.

Tabla N 1: Objetivos especficos y acciones del proyecto. ....................................... 4

Tabla N 2: Contenido temtico del proyecto ............................................................. 9

Tabla N 3: Valores para un filtro de Butterworth de orden superior. ....................... 73

Tabla N 4: Principales caractersticas de la baja y gama enana. .......................... 75

Tabla N 5: Caractersticas relevantes de los modelos PIC16X8X de la gama media.

.............................................................................................................. 76

Tabla N 6: Caractersticas ms destacadas de los modelos PIC17CXXX de la

gama alta. ............................................................................................. 78

Tabla N 7: Caractersticas del RS485 comparadas con RS232, RS422 and RS423.

.............................................................................................................. 85

Tabla N 8: Parmetros elctricos empresa Lujan. .................................................. 92

Tabla N 9: Tablero T1. ............................................................................................ 94 Tabla N 10: Tablero T2. ............................................................................................ 95

Tabla N 11: Tablero principal. .................................................................................. 95

Tabla N 12: Potencia instalada y demanda mxima en la empresa. ....................... 95

Tabla N 13: Consumos mximos de maquinarias de la empresa........................... 100

Tabla N 14: Relacin de proporcionalidad conversin de valores AC. ................... 102

Tabla N 15: Acondicionamiento de seal segunda etapa. ...................................... 104

Tabla N 16: Acondicionamiento de seal tercera etapa. ........................................ 107

Tabla N 17: Relacin voltaje entrada/ salida rectificador de media onda. .............. 110

Tabla N 18: Valores de entrada y salida del sumador. ........................................... 111

Tabla N 19: Tabla del circuito combinacional de medicin de determinacin de seal

de desfase. ......................................................................................... 119

Tabla N 20: Tabla de funciones del integrado 74153. ............................................ 119

Tabla N 21: Consumos de los componentes del modulo acondicionamiento de

seal. .................................................................................................. 122

Tabla N 22: Valores tentativos de ganancia segn el error de la resistencia. ........ 139

Tabla N 23: Disipacin de tiempo del 74ls153. ...................................................... 140

Tabla N 24: Disipacin de tiempo del 74hc86. ....................................................... 141

vi

Tabla N 25: Modulo de acondicionamiento de seales de voltaje y corriente. ....... 154

Tabla N 26: Costos mdulo de procesamiento de seales. ................................... 155

Tabla N 27: Lista de materiales y componentes de la red de comunicaciones ...... 155

Tabla N 28: Costos del modulo de alimentacin. ................................................... 156

Tabla N 29: Coeficientes del COCOMO ................................................................. 157

Tabla N 30: Puntos de fusin de programas .......................................................... 158

Tabla N 31: Costos directos del proyecto. .............................................................. 159

Tabla N 32: Requisitos mnimos para la computadora de monitoreo. .................... 160

Tabla N 33: Tabla de costos indirectos .................................................................. 160

vii

NDICE DE FIGURAS

CONTENIDO Pg.

Figura N 1: Red elctrica Fuente- Carga. ............................................................ 12

Figura N 2: Conexin en delta o triangulo ........................................................... 13

Figura N 3: Conexin en estrella. ........................................................................ 13

Figura N 4: Circuito bsico ley de Ohm. .............................................................. 14

Figura N 5: Ley de corrientes de Kirchoff. ........................................................... 15

Figura N 6: Ley de voltajes de Kirchoff ................................................................ 16

Figura N 7: Circuito divisor de voltaje. ................................................................. 17

Figura N 8: Notacin fasorial. .............................................................................. 18

Figura N 9: Sistema trifsico dominio en el tiempo.............................................. 19

Figura N 10: Conexin en estrella equilibrada. ...................................................... 20

Figura N 11: Diagrama fasorial conexin estrella equilibrada ............................... 22

Figura N 12: Conexin en triangulo equilibrado. ................................................... 23

Figura N 13: Diagrama fasorial conexin triangulo equilibrada. ............................ 24

Figura N 14: Conexin estrella desequilibrada con neutro. ................................... 25

Figura N 15: Diagrama fasorial conexin estrella desequilibrada. ......................... 26

Figura N 16: Conexin en estrella desequilibrada sin neutro. ............................... 27

Figura N 17: Diagrama fasorial conexin estrella desequilibrada sin neutro. ........ 28

Figura N 18: Esquema general de una inyectora .................................................. 29

Figura N 19: Maquinaria de Soplado ..................................................................... 31

Figura N 20: Sistemas fasoriales de red y componentes simtricas. .................... 33

Figura N 21: Transformadores de corriente (CT). ................................................. 34

Figura N 22: Transformadores de voltaje. ............................................................. 35

Figura N 23: Resistencia de derivador de alta corriente. ....................................... 37

Figura N 24: Circuito de derivacin de shunt. ........................................................ 38

Figura N 25: Amplificador inversor. ....................................................................... 39

Figura N 26: Amplificador en modo no inversor. ................................................... 40

Figura N 27: Amplificador sumador inversor. ....................................................... 42

Figura N 28: Amplificador sumador no inversor. ................................................... 43

Figura N 29: Circuito bsico del rectificador de media onda. ................................ 44

viii

Figura N 30: Rectificador de onda completa con amplificadores operacionales. .. 46

Figura N 31: Rectificador de media onda con operacionales (semiciclo positivo) . 47

Figura N 32: Rectificador de media onda con operacionales (semiciclo negativo) 48

Figura N 33: Sumador del rectificador operacional de onda completa. ................. 49

Figura N 34: Seales de entrada, salida y punto A del rectificador de onda

completa. .......................................................................................... 50

Figura N 35: Circuito comparador no inversor ....................................................... 51

Figura N 36: Rectificador de onda completa con transformador de punto medio. . 52

Figura N 37: Rectificador con filtro capacitivo. ...................................................... 53

Figura N 38: Aproximacin de la recta de carga y descarga del capacitor ........... 54

Figura N 39: Fuente de alimentacin regulada . .................................................... 57

Figura N 40: Triangulo de potencias...................................................................... 58

Figura N 41: Respuesta en frecuencia filtro pasabajo de primer orden. ................ 66

Figura N 42: Circuito filtro pasabajo pasivo con condensador ............................... 67

Figura N 43: Circuito filtro pasabajo pasivo con Bobina. ....................................... 68

Figura N 44: Respuesta en frecuencia filtro pasabajo 2do orden. ......................... 71

Figura N 45: Circuito filtro pasivo pasabajo de segundo orden. ............................ 71

Figura N 46: Circuitos estndar para filtros de orden superior. ............................. 72

Figura N 47: PIC de gama baja o enana. .............................................................. 75

Figura N 48: Modulo MSSP para I2C. ................................................................... 80

Figura N 49: Transmisin en RS-232. ................................................................... 83

Figura N 50: Conexiones de red para rs-485. ....................................................... 84

Figura N 51: Topologa de red tipo bus. ................................................................ 86

Figura N 52: Topologa tipo anillo. ......................................................................... 86

Figura N 53: Topologa tipo estrella....................................................................... 87

Figura N 54: Topologa tipo malla.......................................................................... 87

Figura N 55: Diagrama general de bloques del proyecto. ..................................... 91

Figura N 56: Plano planta industrias Lujan. ........................................................... 93

Figura N 57: Diagrama unifilar de red elctrica. .................................................... 96

Figura N 58: Disposicin de maquinarias. ............................................................. 97

Figura N 59: Disposicin de cableductos. ............................................................. 97

ix

Figura N 60: Diagrama de conexin de transformadores de corriente y voltaje al

modulo de acondicionamiento de seales de corriente y voltaje. ..... 98

Figura N 61: Conexiones de la etapa de reduccin y acondicionamiento de seal

de corriente al microcontrolador. ...................................................... 99

Figura N 62: Seal de transformacin del CT de 50 5 Amperes AC. ............... 102

Figura N 63: Resistencia de carga del transformador de corriente (segunda etapa).

........................................................................................................ 103

Figura N 64: Seales de entrada y salida de la segunda etapa de

acondicionamiento 0-5 Amperes AC a 0 - 0,5V Voltios AC. ........... 103

Figura N 65: Acondicionador de seal de 0- 0,5A AC 0-5V AC (tercera etapa).

........................................................................................................ 106

Figura N 66: Seales de entrada y salida de la tercera etapa de

acondicionamiento, amplificacin de la onda de 0- 0,5 Voltios AC a

0 - 0,5V Voltios AC. ........................................................................ 108

Figura N 67: Arreglo de amplificadores operacionales para rectificacin de onda

completa de seal (Cuarta etapa). .................................................. 108

Figura N 68: Onda a la salida del rectificador de media onda. ............................ 110

Figura N 69: Seal de entrada, salida del rectificador y en el punto A. ............... 111

Figura N 70: Conexiones de la etapa de reduccin y acondicionamiento de seal

de voltaje al microcontrolador. ........................................................ 112

Figura N 71: Seal de transformacin del transformador de voltaje. ................... 113

Figura N 72: Divisor de voltaje (Segunda etapa). ................................................ 114

Figura N 73: Conexin de segunda a tercera etapa. ........................................... 115

Figura N 74: Comparador por cruce de cero de corriente. .................................. 116

Figura N 75: Comparador por cruce de cero de voltaje. ...................................... 116

Figura N 76: Detector por cruce de cero. ............................................................ 117

Figura N 77: Comparacin de seales de cruce por cero de corriente, voltaje y

determinacin del tiempo de desfase de seales. .......................... 118

Figura N 78: Circuito combinacional de medicin de determinacin de seal de

desfase. .......................................................................................... 120

Figura N 79: Desfase de seales en un sistema trifsico. ................................... 121

Figura N 80: Fuente simtrica de voltaje +12v, -12v y 5v. ................................... 123

x

Figura N 81: Aproximacin recta de carga y descarga del capacitor filtro en la

fuente de rectificacin. .................................................................... 124

Figura N 82: Pulso de conduccin del diodo. ...................................................... 125

Figura N 83: Pulso de conduccin del diodo con menor rizado. .......................... 126

Figura N 84: Filtro de tercer orden acoplado a la fuente de alimentacin. .......... 127

Figura N 85: Conexionado de seales al microcontrolador pic. .......................... 128

Figura N 86: Esquemtico de conexiones de etapas de acondicionamiento de

seal y cruce por cero al microcontrolador. .................................... 129

Figura N 87: Muestreo de las seales de corriente y voltaje. .............................. 130

Figura N 88: Seal rectificada y muestreada para el microcontrolador. .............. 131

Figura N 89: Flujograma para el procesamiento de seales de corriente y voltaje.

........................................................................................................ 131

Figura N 90: Diagrama de flujo de lectura de variables de ancho de pulso de

desfase de seales de corriente y voltaje. ...................................... 132

Figura N 91: Circuito de transmisin serial 232. .................................................. 133

Figura N 92: Flujo grama del programa del microcontrolador maestro................ 134

Figura N 93: Topologa red serial 485 tipo bus. ................................................... 135

Figura N 94: Configuracin bsica del transceiver MAX 485. ............................. 135

Figura N 95: Pantalla de interfaz con el usuario. ................................................. 136

Figura N 96: Flujograma de clculo del factor de potencia, potencia activa,

potencia reactiva, de despliegue de voltajes, corrientes, y ngulos de

desfase en la computadora. ............................................................ 138

Figura N 97: Bornera de pines del sistema. ........................................................ 142

Figura N 98: Conexionado de transformadores de voltaje para el sistema. ........ 143

Figura N 99: Conexionado de red de transceivers MAX- 485 resistencias de 120

en dispositivos ms alejados en la red. .......................................... 143

Figura N 100: Funcionamiento del Maestro. .......................................................... 144

Figura N 101: Men principal maestro. .................................................................. 145

Figura N 102: Pantalla de visualizacin de datos maestro. ................................... 146

Figura N 103: Men de seleccin cantidad mxima de esclavos en la red. .......... 146

Figura N 104: Men de alarmas. ........................................................................... 147

Figura N 105: Alarmas en maquinas. .................................................................... 148

xi

Figura N 106: Men de ajustes de alarmas. .......................................................... 149

Figura N 107: Ventana principal de interfaz de usuario. ........................................ 151

Figura N 108: Ventana de monitoreo de variables elctricas del sistema. ............ 152

Figura N 109: Men de configuracin de alarmas. ................................................ 153

0 INGENIERIA DE SISTEMAS ELECTRONICOS

CAPITULO I GENERALIDADES

Todo lo que puede ser imaginado es real.

(Pablo Picasso)

1 - 165

1.1. INTRODUCCIN.

En un mbito industrial donde se debe estar consciente de los constantes

requerimientos en procesos para mejorar los sistemas de produccin en su eficacia y

eficiencia, debemos contar con la mayor cantidad de herramientas que permitan tal

cometido como es el caso de los sistemas de monitoreo, sistemas de control,

sistemas de adquisicin de datos y los protocolos de comunicacin para centralizar

dichos datos.

Los sistemas de monitoreo son muy importantes debido a que estos verifican el

estado actual de procesos, y permiten el despliegue de datos en tiempo real y

alarmas, los mismos ya se utilizaron en una gran cantidad de campos como la

industrias alimenticias, industrias de transporte de energa elctrica, de explotacin

de petrleo, de exploracin minera, redes de telecomunicaciones, hospitales,

seguridad domiciliaria, etc.

La empresa Industrias Lujan se dedica a producir envases de plstico para diferentes

lneas como jugos y bebidas, farmacia, qumicos, condimentos, tambin la fabrica se

dedica a la produccin de tapas y tapones.

La empresa actualmente cuenta con varias maquinarias sobre las cuales no es

sencillo determinar los parmetros elctricos de consumo constantemente porque

esto implica que un trabajador este tomando datos continuamente sobre todas las

maquinarias, este es un trabajo arduo para cualquier persona, es aqu donde los

sistemas de monitoreo juegan un papel muy importante, adquiriendo y procesando

los parmetros elctricos, desplegando alarmas e indicando cuando es necesario

realizar alguna revisin sobre cualquier maquinaria que as lo requiera, adems

tambin monitoreando el factor de potencia que es consumida en la empresa

evitando as multas por parte de ELFEC, indicando el nmero de horas trabajadas de

las maquinarias y tambin almacenando datos para hacer un seguimiento sobre el

funcionamiento de las maquinarias y poder hacer un informe para tener mejor

planteados los consumos y poder brindar a la empresa una herramienta para

manejar de mejor manera sus recursos.

2 - 165

1.2. ANTECEDENTES.

El ser humano siempre ha buscado la creacin de herramientas que le faciliten la

realizacin de tareas pesadas y repetitivas. Es por ese motivo que se incursa dentro

del tema de los sistemas de monitoreo.

Los sistemas de monitoreo aparecieron junto con los sistemas de control y

automatizacin a comienzos de 1951 con la conferencia "Automatic Control" (Control

Automtico) en Inglaterra que fue la primera gran conferencia internacional en control

automtico.

El Grupo Empresarial Lujan es una sociedad compuesta por empresas destinadas a

brindar servicios y productos en el rubro de los plsticos para la industria en general,

constituidos el 6 de junio de 1991 mediante testimonio numero 382/91.

Las empresas del Grupo Lujan, actualmente cuentan con obreros, tcnicos,

administrativos e ingenieros identificados con la empresa, que con su labor cotidiana

ofrecen a los clientes una variedad de productos plsticos para la industria.

Por lo tanto, cada empresa que pertenece al Grupo Lujan est especializada en una

rama de produccin, as la divisin interna es capaz de producir cualquier pedido que

el cliente necesite o requiera en insumos plsticos y matricera.

El grupo Lujan cuenta con las certificaciones ISO 9001:2008 y ISO 14001:2004.

La empresa Industrias Lujan, con su planta de produccin, ubicada en la zona de

Chajnacollo de la provincia de Quillacollo en la ciudad de Cochabamba, tiene en la

actualidad los implementos necesarios para elaborar productos plsticos industriales

variados en soplado e inyectado.

3 - 165

1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.3.1. Identificacin del problema.

Actualmente en la empresa Lujan no se monitorean con frecuencia los consumos de

corrientes y voltajes en las maquinarias de inyeccin y soplado, es entonces cuando

se producen consumos desbalanceados que provocan que el factor de potencia en

la empresa baje del 0.85 y por consiguiente esto provoca multas por parte de

ELFEC, por otra parte la empresa no cuenta con una herramienta que permita que

registrar la informacin de consumos y determinar si las fases de las maquinarias

estn trabajando de una manera balanceada o en sincronismo, Por lo tanto la toma

de decisiones para realizar chequeos o mantenimientos en las maquinarias de la

empresa es dificultoso.

1.3.2. Formulacin del problema.

Diseando un sistema de monitoreo de variables elctricas de voltaje y corriente, se

podr contar con una herramienta que permita advertir al personal de la fabrica del

estado actual del factor de potencia, registrando la informacin de consumos y

verificando el balance de fases en cada una de las maquinarias de inyeccin y

soplado de la empresa Lujan?

1.4. OBJETIVOS

1.4.1. Objetivo general.

Disear un sistema de monitoreo de variables elctricas de corriente y voltaje para

determinar el factor de potencia registrando la informacin de consumos y

verificando el balance de fase de cada una de las maquinarias de inyeccin y

soplado de la empresa Lujan.

4 - 165

1.4.2. Objetivos especficos.

Investigar las caractersticas de las redes elctricas trifsicas de la empresa.

Investigar las caractersticas de cada una de las maquinarias de inyeccin y

soplado de la empresa.

Analizar y determinar circuitos de proteccin y filtros para el sistema de monitoreo.

Disear circuitos convertidores para la medicin de voltaje y corriente.

Disear circuitos para la determinacin del factor de potencia.

Disear un sistema microprocesado para el monitoreo de variables elctricas de

corriente y voltaje.

Disear la topologa para la comunicacin PC-uC.

Desarrollo del software de monitoreo.

Probar y calibrar el sistema.

Desarrollar un manual de funcionamiento del sistema.

1.4.3. Objetivos especficos y acciones.

Tabla N 1: Objetivos especficos y acciones del proyecto.

Objetivos especficos Acciones

Investigar las caractersticas de las redes

elctricas trifsicas de la empresa.

Estudio de las redes elctricas alta

y media potencia de la empresa.

Investigar las caractersticas de las

maquinarias de inyeccin y soplado de la

empresa.

Estudio de consumos de las

maquinarias en la empresa.

Determinacin de la cantidad de

produccin de cada maquinaria.

Investigar la cantidad de horas que

trabaja cada maquinaria.

5 - 165

Analizar y determinar circuitos de

proteccin y filtros para el sistema de

monitoreo.

Estudio de las caractersticas de

filtros en mercado.

Estudio de circuitos de proteccin.

Disear circuitos convertidores para la

medicin de voltaje, corriente.

Estudio de herramientas de

medicin de parmetros elctricos.

Estudio de las de CTs toroidales en

mercado.

Investigacin de mdulos de

conversin de corriente y voltaje.

Estudio de los requerimientos y

componentes que se adecuen

mejor para la toma de datos.

Disear circuitos para la determinacin del

factor de potencia.

Investigacin de los circuitos de

deteccin por cruce de cero.

Disear un sistema microprocesado para el

monitoreo y recoleccin de corriente.

Investigacin y determinacin de los

componentes para desarrollar una

red de comunicacin serial.

Anlisis, investigacin y

determinacin de los componentes

de adquisicin de datos.

Anlisis de microcontroladores.

6 - 165

Disear la topologa para la comunicacin

PC-uC.

Investigacin y estudio de las

arquitecturas de comunicacin

serial y los protocolos para entablar

la comunicacin entre maestros y

esclavos.

Desarrollo del software de monitoreo.

Realizacin una base de datos en la

PC con los datos adquiridos del

sistema.

Probar y ajustar el sistema.

Verificacin del comportamiento del

sistema y ajuste de sus etapas

para su correcto funcionamiento.

Verificacin del comportamiento de

los mdulos del equipo y calibracin

de los mismos.

Reunin de todos los mdulos

previamente probados.

Desarrollar un manual de funcionamiento

del sistema.

Descripcin del funcionamiento del

sistema.

FUENTE: Elaboracin Propia.

7 - 165

1.5. JUSTIFICACIN.

1.5.1. Justificacin tcnica.

El proyecto se basa en la tecnologa de sistemas microprocesados para desarrollar la

parte del modulo de adquisicin y traduccin procesamiento de datos de corriente y

comunicacin serial para la transmisin de datos a una base de datos en una central.

El proyecto presentado en este documento empleara en la parte de diseo

dimensionamiento, implementacin ramas fundamentales que forman parte de la

electrnica. Entre estos campos se puede mencionar a la electrnica de control,

redes de comunicacin, programacin de bajo nivel e informtica.

1.5.2. Justificacin econmica.

El proyecto propuesto en el trabajo presenta una opcin que se adecua a los

requerimientos especficos de la empresa y con un costo accesible con componentes

que se encuentran en mercado, adems ayudara bastante en el tema de gastos ms

elevados de dinero en reparacin de equipos dando lugar a que se realicen

mantenimientos preventivos en vez de realizar mantenimientos correctivos,

permitiendo as a la empresa hacer uso mximo de sus recursos.

1.5.3. Justificacin social.

El presente proyecto facilitara el constante monitoreo del consumo de energa de las

maquinarias de la empresa Lujan, que permitir al personal de mantenimiento prever

si existe alguna falla en el funcionamiento, debido a los cambios en sus magnitudes

de lectura de los parmetros elctricos que se monitorean.

1.6. ALCANCES

El proyecto expuesto en el presente documento tendr las siguientes limitaciones y

alcances en su implementacin ya que el sistema de monitoreo se realizara en cada

una de las maquinas de la empresa Lujan, con las siguientes caractersticas:

8 - 165

Modulo de recepcin de corrientes y voltajes en cada maquinaria de inyeccin y

soplado.

Modulo de procesamiento de las variables elctricas en cada maquinaria.

Modulo de visualizacin de parmetros elctricos de corriente, voltaje, factor de

potencia y balance de fases y emisin de alarmas.

Sistema de comunicacin entre los mdulos de adquisicin de parmetros

elctricos.

Computador con el sistema de monitoreo.

1.6.1. Alcance temtico.

Las reas temticas de investigacin para llevar a cabo el presente proyecto son

anlisis de circuitos, componentes e instrumentos, electrnica industrial con cuyos

conocimientos podremos leer y medir e interpretar corrientes y voltajes, el rea de

lineales I II III, para la parte de desarrollo del modulo de procesamiento de seales

de corriente y voltaje, el rea de sistemas digitales, sistemas de microcontroladores,

redes de comunicacin, para la centralizacin y transmisin de datos.

Para el diseo de una topologa de red, redes de comunicacin, el rea de

informtica y sistemas de computacin para ver y entender mejor la parte de

comunicaciones mediante los protocolos planteados en el trabajo y el desarrollo de la

base de datos e interfaz para la base de datos.

1.6.2. Alcance geogrfico.

El proyecto del sistema de monitoreo y base de datos tendr lugar en las

instalaciones de la empresa de plsticos Lujan en la ciudad de Cochabamba-Bolivia.

1.6.3. Alcance temporal.

El proyecto se desarrollara durante el periodo de 9 meses correspondientes a la

gestin I-2011 y II-2011.

INGENIERIA DE SISTEMAS ELECTRONICOS

CAPITULO II MARCO TERICO

Vale ms actuar exponindose a arrepentirse de ello, que arrepentirse de no haber hecho nada.

(Giovani Boccaccio)

9 - 165

2.1. CONTENIDO TEMTICO.

Tabla N 2: Contenido temtico del proyecto

Objetivos especficos Acciones Tema terico

Investigar las caractersticas

de las redes elctricas

trifsicas de la empresa.

Estudio de las redes

elctricas alta y media

potencia de la empresa.

Electrnica industrial,

Electrnica de

potencia,

Componentes e

Instrumentos, anlisis

de circuitos I II,

Lineales I II III.

Investigar las caractersticas

de cada una de las

maquinarias de inyeccin y

soplado de la empresa.

Estudio de los consumos

de maquinarias en la

empresa.

Determinacin de la

cantidad de produccin de

cada maquinaria.

Investigar la cantidad de

horas que trabaja cada

maquinaria


Componentes e

Instrumentos, anlisis

de circuitos I II,

Lineales I II III.

Analizar y determinar

circuitos de proteccin

sistema y filtros para el

sistema de monitoreo.

Estudio de las

caractersticas de filtros

en mercado

Estudio de circuitos de

proteccin.

Componentes e

Instrumentos, anlisis de

circuitos I II, Sistemas

digitales I II, lineales I II

III.

10 - 165

Disear circuitos

convertidores para la

medicin de voltaje y

corriente.

Estudio de herramientas

de medicin de

parmetros elctricos.

Estudio de las Variedades

de CTs en mercado.

Investigacin de mdulos

de conversin de corriente

y voltaje.

Estudio de los

requerimientos y

componentes que se

adecuen mejor para la

toma de datos.

Componentes e

Instrumentos, anlisis de

circuitos I II, campos

electromagnticos,

Sistemas digitales I II.

Disear circuitos para la

determinacin del factor de

potencia.

Investigacin de los

circuitos de deteccin por

cruce de cero.

Lineales I, II, III


Sistemas Digitales,

Sistemas de

microprocesadores.

Disear un sistema

mcroprocesado para el

monitoreo de variables

elctricas de corriente y

voltaje.

Investigacin y determinar

los componentes para

desarrollar una red serial.

Anlisis, investigacin y

determinacin de los

componentes de

adquisicin de datos.

Anlisis de

microcontroladores.

Lineales I II III, Anlisis de

seales, variable

compleja,

Anlisis de circuitos

Anlisis de circuitos,

Sistemas digitales I II,

sistemas de

microprocesadores.

11 - 165

Disear la topologa para la

comunicacin PC-uC.

Investigacin y estudio de

las arquitecturas de

comunicacin serial y los

protocolos para entablar

la comunicacin entre

maestros y esclavos.

Redes de

comunicacin,

anlisis de

circuitos, sistemas

digitales.

Desarrollo del software de

monitoreo.

Realizacin una base de

datos en la PC con los

datos adquiridos del

sistema.

Informtica, redes de

comunicacin.

Probar y ajustar el sistema.

Verificacin del

comportamiento de los

mdulos del equipo y

calibracin de los mismos.

Reunin de todos los

mdulos previamente

probados.

Verificacin del

comportamiento del

equipo y ajustes de sus

etapas para su correcto

funcionamiento.

Anlisis de

circuitos,

electrnica

industrial, sistemas

digitales, lineales I

II III, informtica,

redes de

comunicacin,

sistemas de

computacin,

sistemas de

microprocesadores

12 - 165

Desarrollar un manual de

funcionamiento del sistema.

Descripcin del

funcionamiento del

sistema.

Sistemas de computacin,

sistemas de

microprocesadores,

lineales I II III.

FUENTE: Elaboracin propia.

2.2. DESARROLLO DEL MARCO TERICO

2.2.1. Redes elctricas trifsicas.

La estructura bsica de una red elctrica trifsica consiste en una serie de fuentes de

tensin conectadas a una carga por medio de transformadores y lneas de

transmisin como se muestra esquemticamente en la figura N1.

Figura N 1: Red elctrica Fuente- Carga.

FUENTE: JAMES W. NILSON, Circuitos elctricos, Pg. 528.

13 - 165

2.2.1.1. Tipos de conexin en sistemas trifsicos.

En sistemas trifsicos las conexiones ms comunes son delta y estrella.

A. En delta o tringulo: Como se puede ver en la figura N 2 una conexin en delta o triangulo se consigue uniendo el final de un devanado con el principio del

otro y usando estos puntos como bornes de salida de la mquina. Las figuras

corresponden a un alternador, un transformador (secundario) y su representacin

vectorial.

Figura N 2: Conexin en delta o triangulo

FUENTE: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.196

B. En estrella: Como se puede ver en la figura N 3 una conexin estrella se consigue uniendo los extremos homlogos de todos los devanados y dejando

libre, como borne, el otro extremo. Las figuras corresponden a un alternador, un

transformador (secundario) y su representacin vectorial.

Figura N 3: Conexin en estrella.

FUENTE: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.196.

14 - 165

2.2.1.2. Anlisis de circuitos

Antes de realizar el anlisis de redes elctricas trifsicas es necesario conocer

algunas leyes bsicas de la electrnica como se muestran a continuacin:

A. Ley de ohm.

Figura N 4: Circuito bsico ley de Ohm.

FUENTE: JAMES W. NILSON, Circuitos Elctricos, pg. 32

Para el anlisis de circuitos, se debe establecer una referencia entre la corriente en

la resistencia y el voltaje terminal. Esto se puede hacer de dos maneras; ya sea en la

direccin de cada de voltaje en la resistencia, como se muestra en la figura N 4.a o en la direccin del aumento de voltaje en la resistencia como se ilustra en la figura N 4.b, si elegimos el primer mtodo la relacin entre voltaje y corriente es:

(2.1)

Donde:

v = Voltaje en volts i = Corriente en amperes R = Resistencia en ohms

15 - 165

Si elegimos el segundo mtodo la ecuacin es:

(2.2)

A partir de la anterior ecuacin definimos la potencia que se da por la siguiente

expresin:

(2.3)

B. Leyes de kirchoff.

Se utilizan cuando se necesita estudiar las relaciones de corriente y voltaje en redes

simples que resultan de la interconexin de dos o ms elementos simples de un

circuito.

La primera ley enuncia que la suma algebraica de las corrientes que entran a

cualquier nodo es cero.

Considerando el nodo mostrado en la figura N 5 La suma algebraica de las cuatro corrientes que entran al nodo debe ser cero:

Figura N 5: Ley de corrientes de Kirchoff.

FUENTE: ALBERT D. HELFRICK & WILLIAM D. COOPER, Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin. Pg. 25.

16 - 165

La ecuacin por la cual se rige esta ley es:

(2. 4)

La segunda ley de Kirchoff enuncia que la suma algebraica de los voltajes alrededor

de cualquier trayectoria cerrada en un circuito es cero.

El circuito para esta ley se ve en la figura N 6.

Figura N 6: Ley de voltajes de Kirchoff

FUENTE: ALBERT D. HELFRICK & WILLIAM D. COOPER, Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin. Pg. 26.

La ecuacin por la cual se rige esta ley es:

(2.5)

A partir de esta segunda ley definimos las ecuaciones de un divisor de voltaje

teniendo un circuito como el de la figura N 7.

17 - 165

Figura N 7: Circuito divisor de voltaje.


El vout se da entre las terminales de la resistencia R2, el vin es el voltaje de entrada y

sobre la resistencia cae un voltaje v1 y teniendo en cuenta que en una malla cerrada

circula una corriente comn para todos i entonces se tiene:

(2.6)

Utilizando la ley de ohm se tiene que:

(2.7)

Despejando i:

(2.8)

Empleando de nuevo la ley de ohm para calcular vout:

(2.9)

18 - 165

Reemplazando (2.8) en (2.7) se tiene que:

(2.10)

C. Valor RMS

El valor rms se define como una medida de la efectividad de una fuente de voltaje o corriente para entregar potencia a una carga resistiva.

Se expresa por la relacin general:

(2.11)

Para una onda senoidal se da la siguiente relacin:

(2.12)

2.2.1.3. Tensiones en sistemas perfectos.

Figura N 8: Notacin fasorial.


En sistemas trifsicos se tienen tres fases que se denotan con varias nomenclaturas

como RST que se muestra en la figura N 8 las expresiones de los valores

19 - 165

instantneos de estas fases en el dominio del tiempo estn dadas por las ec (2.13),

(2.14), (2.15) y estn representados por la figura N 9:

(2.13)

(2.14)

(2.15)

Figura N 9: Sistema trifsico dominio en el tiempo.


2.2.1.4. Conexin estrella equilibrada.

Una conexin en estrella equilibrada consiste en unir tres finales de fase para formar

el polo neutro como se muestra en la figura N 10. Esta conexin se puede adoptar tanto para generadores como para receptores de energa. Para la realizacin de

anlisis suponemos que la red est conectada a una fuente trifsica simtrica.

20 - 165

Figura N 10: Conexin en estrella equilibrada.


En este sistema las 3 impedancias de carga son iguales como tambin lo son los

ngulos de desfase como se expresa a continuacin:

(2.16)

(2.17)

Las tensiones de fase son:

(2.18)

Las tensiones de lnea son:

(2.19)

21 - 165

Y la relacin entre la tensin de fase y la tensin de lnea es:

(2.20)

Las corrientes de fase en una carga en configuracin estrella son:

IRO, ISO, ITO.

Y las corrientes de lnea en una carga en configuracin estrella son las corrientes

que circulan hacia la carga, por las lneas de Transmisin y estas son:

IR, IS, IT.

En conexin estrella equilibrada son iguales las corrientes de fase y de lnea son

iguales:

(2.21)

(2.22)

Para calcular del neutro en la configuracin y Aplicando Ley de Kirchhoff al punto O se tiene que:

(2.23)

(2.24)

En un sistema simtrico y equilibrado la corriente en el neutro es nula. En el caso de

un desequilibrio sirve como vlvula de escape para conservar la simetra de

22 - 165

tensiones. A partir de las anteriores ecuaciones se tiene como resultado un anlisis

vectorial de las corrientes de lnea, de fase y de voltajes de fase y lnea como se

puede ver en la figura N 11.

Figura N 11: Diagrama fasorial conexin estrella equilibrada

Fuente: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.200

A partir de las anteriores ecuaciones y del diagrama fasorial de una carga conectada

en configuracin estrella mostrada en la figura N 11 se puede determinar los siguientes puntos:

Impedancias de carga iguales.

Corrientes de lnea iguales a las corrientes de fase.

Corriente nula en el neutro.

Los voltajes de fase y de lnea no son iguales.

2.2.1.5. Conexin en tringulo equilibrado

Una configuracin en triangulo equilibrado se puede adoptar tanto para generadores

como para receptores de energa. Las conexiones en tringulo crean redes sin

neutro. En la figura N 12 se puede ver una conexin en triangulo o delta.

La carga est conectada a una red trifsica simtrica.

23 - 165

Figura N 12: Conexin en triangulo equilibrado.


Las 3 impedancias de carga son iguales y los ngulos tambin:

(2.25)

(2.26)

Las corrientes de fase son:

(2.27)

(2.28)

(2.29)

24 - 165

Aplicando Kirchhoff a los 3 nodos se tiene que:

(2.30)

(2.31)

(2.32)

A partir de las anteriores ecuaciones se pueden determinar las corriente y voltajes

de la conexin y por ende se puede determinar el diagrama fasorial de la conexin

como se muestra en la figura N 13.

Figura N 13: Diagrama fasorial conexin triangulo equilibrada.

Fuente: JOSEPH A. EDMINISTER, Circuitos elctricos, Pg.200.

A partir de las anteriores ecuaciones y del diagrama fasorial de una carga en estrella

podemos determinar los siguientes puntos:

Las impedancias de carga son iguales en las 3 fases.

Tensiones de fase iguales a tensiones de lnea.

Ausencia de punto neutro.

La corriente de lnea es 3 veces mayor que la corriente de fase.

25 - 165

2.2.1.6. Conexin estrella desequilibrada con neutro.

Un sistema en conexin estrella desequilibrado se puede ver en la figura N 14 en el cual las tensiones se calculan de la siguiente manera:

(2.33)

(2.34)

Y las tensiones son iguales

(2.35)

(2.36)

Figura N 14: Conexin estrella desequilibrada con neutro.


En esta configuracin las corrientes se calculan de la siguiente manera:

26 - 165

(2.37)

(2.38)

(2.39)

Y la corriente de neutro no es nula entonces el neutro transporta la corriente

resultante del desequilibrio:

(2.40)

En funcin a los anteriores ecuaciones se define un diagrama fasorial representado

por la figura N 15.

Figura N 15: Diagrama fasorial conexin estrella desequilibrada.


27 - 165

2.2.1.7. Conexin estrella desequilibrada sin neutro.

En una conexin en configuracin de estrella sin neutro como la que se muestra en

la figura N 16 las 3 tensiones de fase no son iguales ni simtricas, pero sumadas, dan las tensiones de lnea.

El desequilibrio en este sistema se manifiesta en las tensiones de fase y mediante la

modificacin del punto neutro:

Si solamente hay tres lneas A,B,C o R,S,T conectadas e una carga en estrella

desequilibrada, el punto comn de las tres impedancias de carga no esta al potencial

del neutro y se designa por la letra en lugar de . Tiene particular

inters el desplazamiento a desde , tensin de desplazamiento del

neutro.

Figura N 16: Conexin en estrella desequilibrada sin neutro.


Para el punto O se tiene que:

28 - 165

(2.41)

Tambin se cumple que la suma de voltajes de fase no es igual a cero:

(2.42)

A partir de las anteriores ecuaciones se define el diagrama fasorial en la figura N 17 para la conexin de estrella desequilibrada con tres conductores.

Figura N 17: Diagrama fasorial conexin estrella desequilibrada sin neutro.


Posicin del punto neutro O:

(2.43)

29 - 165

Multiplicando las admitancias de fase se tiene que:

(2.44)

Considerando que no hay neutro:

(2.45)

Reemplazando:

(2.46)

Con UOO se puede ubicar en O en el plano, y con el URO, USO, UTO

2.2.2. Maquinarias de inyeccin y soplado.

2.2.2.1. Maquinarias de inyeccin.

Figura N 18: Esquema general de una inyectora

FUENTE: www.expodime/INYECTORA.pdf

30 - 165

En la figura N 18 se muestra el esquema general de una maquina inyectora de plstico con sus partes. El propsito de la maquina inyectora de plstico es ser capaz

de suministrar la materia prima requerida por el usuario al molde el cual debe de

tener un sistema de enfriamiento apropiado para que el producto se encuentre en

buen estado y no pierda sus propiedades y especificaciones indicadas. Los sistemas

que componen a la maquina son: sistema hidrulico, trmico, mecnico, de

enfriamiento y de control. Cuando se aplica calor a un material termoplstico para

fundirlo se dice que se plastifica. El material ya fundido o plastificado por calor puede

hacerse fluir mediante presin y llenar un molde donde el material solidifica y toma

forma del molde. Este proceso se le nombra moldeo por inyeccin.

A. Partes de una inyectora.

Las partes representativas en una inyectora son la unidad de cierre, unidad de

inyeccin, bancada y control.

Unidad de cierre. La unidad de cierre Ayuda a introducir el material plstico al interior del molde. La

presin de inyeccin permanecer ms o menos constante mientras que la velocidad

de inyeccin aumentar con el tamao de la mquina.

Unidad de inyeccin.

El grupo de inyeccin tiene la funcin de coger el material slido que hemos

depositado en su tolva, fundirlo de una forma progresiva e inyectarlo (introducirlo)

dentro del molde. Para ello tiene una serie de elementos mecnicos, elctricos e

hidrulicos.

Unidad de control La unidad de control es la que se dedica a realizar el control de la maquinaria y

coordinar todas sus etapas.

31 - 165

2.2.2.2. Maquinarias de soplado.

Figura N 19: Maquinaria de Soplado

FUENTE: www.quiminet.com

En la figura N 19 se muestra una maquina de soplado que es muy parecida a una maquinaria de inyeccin ya que tambin cuenta con un tornillo para la fundicin del

plstico en su previa parte de inyeccin, esta se diferencia de la anterior maquinaria

mostrada en la figura N 18 por que cuenta adems con un modulo de soplado en el cual se ejerce presin sobre un molde y el plstico en estado semilquido toma forma

y se solidifica a diferencia de una maquina de inyeccin donde el plstico fundido

entra en una matriz y solidifica all mismo.

Las partes ms representativas de una maquinaria de soplado son:

A. Partes de una Sopladora

Las partes representativas en una sopladora son la unidad de soplado, unidad de

inyeccin, bancada y control.

Unidad de soplado

La unidad de soplado ejerce presin de aire sobre las paredes del plstico que

tomaran la forma del molde sobre el cual estn siendo soplados.

32 - 165

Unidad de inyeccin o extrusin

La unidad de inyeccin extrusin es la que est destinada a la inyeccin/extrusin

del plstico est conformada bsicamente por un motor de tornillo.

Unidad de y bancada control

La unidad de control es la que se dedica a realizar el control de la maquinaria y

coordinar todas sus etapas.

2.2.3. Balance de fases en maquinarias.

Se denomina sistema trifsico equilibrado o carga trifsica equilibrada la que absorbe

la misma intensidad de corriente de cada una de las fases.

Se denomina sistema trifsico desequilibrado o carga trifsica desequilibrada la que

absorbe corrientes de fase no iguales; por tanto, en estrella, el neutro conduce la

diferencia (vectorial). Es el caso, tpicamente, de los sistemas de alumbrado y otros

receptores monofsicos.

El balance de fases en maquinarias bsicamente hace referencia a que en las tres

lneas de energa de un motor debe existir un consumo equilibrado.

El desbalance en motores trifsicos principalmente se debe a problemas con la red

de alimentacin o a que los bobinados del motor no hayan sido correctamente

rebobinados en caso de que el mismo se haya quemado

El desbalance trifsico es el fenmeno que ocurre en sistemas trifsicos donde las

tensiones y/o ngulos entre fases consecutivas no son iguales.

El balance perfecto de tensiones es tcnicamente inalcanzable. El continuo cambio

de cargas presentes en la red, causan una magnitud de desbalance en permanente

variacin.

La mera conexin de cargas residenciales, de naturaleza monofsica, provocan un

estado de carga en el sistema trifsico que no es equilibrado entre fases, de all las

33 - 165

cadas de tensin del sistema tampoco sern equilibradas dando por resultado

niveles de tensin desiguales.

Un sistema de generacin simtrico, es aquel donde las tres tensiones tienen igual

magnitud de tensin y sus fasores estn a 120 entre s. Una carga trifsica

simtrica, es aquella que genera tres corrientes de magnitudes y fases iguales

respecto a la tensin. En la figura N 20 se puede observar el movimiento del punto O de la red lo cual implica un desbalance en la misma.

Figura N 20: Sistemas fasoriales de red y componentes simtricas.


Los sistemas desbalanceados pueden analizarse a partir de la representacin por

medio de tres sistemas trifsicos compuestos como lo indica la anterior figura, por

dos ternas (trifsicas) simtricas y una tercera compuesta por una terna de igual

magnitud, pero de igual fase.

La terna de secuencia positiva corresponde al flujo de potencia que proviene de la

red hacia la carga, es decir, desde el generador hacia aguas abajo. La potencia

suministrada o energa elctrica generada tiene nicamente representacin de

secuencia positiva, o sea, no existe generacin de secuencia negativa u homopolar,

en los sistemas de generacin simtricos.

2.2.3.1. Causas de desbalance de fases.

La principal causa son las cargas monofsicas sobre el sistema trifsico, debido a

una distribucin no homognea, en especial la de consumidores de baja tensin de

ndole monofsicos.

34 - 165

Para igual dispersin de cargas monofsicas, la configuracin del tipo de red de

distribucin y transmisin incide sobre la propagacin del desbalance. La

configuracin de red radial, mostrar niveles mayores que una red mallada.

Las impedancias propias y mutuas entre fases no balanceadas presentarn

desbalances en las cadas de tensin an con cargas simtricas.

El efecto de un banco trifsico de capacitores con una fase fuera de servicio

presentar un desbalance de compensacin de corriente reactiva capacitiva.

Los hornos de arcos trifsicos, por su naturaleza de funcionamiento, presentan

desbalances de carga variable a lo largo del proceso de fundicin.

2.2.4. Circuitos y dispositivos de medicin de parmetros elctricos de corriente y voltaje.

El anlisis de circuitos de componentes para la medicin de parmetros elctricos

servir para estudiar la gama de circuiteras de medicin de corriente y voltaje y ver

cul de los circuitos se adecua mejor a los requerimientos del proyecto para la

determinacin de estos parmetros elctricos.

2.2.4.1. Transformadores de corriente (CT).

Figura N 21: Transformadores de corriente (CT).

FUENTE: ALBERT D. HELFRICK, WILLIAMD. COOPER, Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin. Pg. 96.

35 - 165

La funcin de un CT es la de reducir proporcionalmente a valores normales y no

peligrosos la corriente, con el fin de permitir el empleo de aparatos de medicin

normalizados. En la figura N 21 se muestra un CT de tipo toroidal.

Un transformador de corriente es un transformador de medicin, donde la corriente

secundaria esta dentro de las condiciones normales de operacin, prcticamente

proporcional a la corriente primaria, y desfasada de ella un ngulo cercano a cero,

para un sentido apropiado de conexiones.

El estndar de transformacin de los CTs para su entrada vara desde los 15, 20,

25, 30, 40, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 500, 600 amperes, mientras que el

secundario de los mismos termina en valores entre los 5 y 1 amperes.

El primario de dicho transformador est conectado en serie con el circuito que se

desea controlar, en tanto que el secundario est conectado a los circuitos de

corriente de uno o varios aparatos de medicin, relevadores o aparatos anlogos

conectados en serie.

Un transformador de corriente puede tener uno o varios devanados secundarios

embobinados sobre uno o varios circuitos magnticos separados.

2.2.4.2. Transformadores de voltaje.

Figura N 22: Transformadores de voltaje.

FUENTE: ALBERT D. HELFRICK, WILLIAMD. COOPER, Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin. Pg. 95.

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A. Relacin de transformacin.

La relacin de transformacin nos indica el aumento decremento que sufre el valor

de la tensin de salida con respecto a la tensin de entrada, esto quiere decir, por

cada voltio de entrada cuntos voltios hay en la salida del transformador.

La relacin entre la fuerza electromotriz inductora es (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida es (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al nmero de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns), en la ecuacin (2.35) se puede observar la ecuacin de relacin que se da en un transformador de voltaje:

(2.47)

Un transformador de potencial o tensin como se muestra en la figura N 22 es un dispositivo destinado a la alimentacin de aparatos de medicin y /o proteccin con

tensiones proporcionales a las de la red en el punto en el cual est conectado. El

primario se conecta en paralelo con el circuito por controlar y el secundario se

conecta en paralelo con las bobinas de tensin de los diferentes aparatos de

medicin y de proteccin que se requiere energizar. Cada transformador de tensin

tendr, por lo tanto, terminales primarios que se conectarn a un par de fases o a

una fase y tierra y terminales secundarios a los cuales se conectarn aquellos

aparatos.

En estos aparatos la tensin secundaria, dentro de las condiciones normales de

operacin, es proporcional a la tensin primaria, con un ngulo de desfase cercano a

cero.

Desarrollan dos funciones: transformar la tensin y aislar los instrumentos de

proteccin y medicin conectados a los circuitos de alta tensin.

En esta definicin tan amplia quedan involucrados los transformadores de tensin

que consisten en dos arrollamientos realizados sobre un ncleo magntico y los

transformadores de tensin que contienen un divisor capacitivo. Los primeros se

37 - 165

llaman "Transformadores de Tensin Inductivos" y los segundos "Transformadores

de Tensin Capacitivos".

Los transformadores de tensin no difieren en mucho de los transformadores de

potencia en cuando a elementos constructivos bsicos se refiere. Los componentes

bsicos son los siguientes:

2.2.4.3. Resistencia de Shunt.

Una resistencia de shunt o de derivacin es una carga resistiva a travs de la cual se

deriva una corriente elctrica. Generalmente la resistencia de un shunt es conocida

con precisin y es utilizada para determinar la intensidad de corriente elctrica que

fluye a travs de esta carga, mediante la medicin de la diferencia de tensin o

voltaje a travs de ella, valindose de ello de la ley de Ohm :

(2.48)

Cuando se desea medir una intensidad de corriente mayor que la permitida por el

dispositivo final deber derivarse, por el instrumento, una parte proporcional para tal

efecto se dispone de una resistencia en paralelo con el instrumento como el que se

muestra en la figura N 23 a dicha resistencia se la denomina derivador o shunt.

Figura N 23: Resistencia de derivador de alta corriente.

FUENTE: ALBERT D. HELFRICK, WILLIAMD. COOPER, Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin. Pg. 58

La resistencia de derivacin se calcula aplicando un anlisis convencional de

circuitos como se muestra en la figura N 24:

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Figura N 24: Circuito de derivacin de shunt.

FUENTE: ALBERT D. HELFRICK, WILLIAMD. COOPER, Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin. Pg. 58

Donde:

Rm = Resistencia interna del movimiento (la bobina).

Rs = Resistencia de derivacin.

Im = Corriente de deflexin a plena escala del movimiento.

Is = Corriente de derivacin.

I = Corriente a plena escala del ampermetro incluyendo la de

derivacin.

Ya que la resistencia de derivacin esta en paralelo con el movimiento del medidor,

el voltaje a travs de las resistencias y el movimiento deben ser iguales, por lo tanto

se puede escribir:

(2.49)

O

(2.50)

Como Is= I- Im se puede escribir:

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(2. 51)

Mediante la anterior ecuacin para cada valor de corriente necesaria a escala

completa del medidor, se puede calcular el valor de la resistencia de derivacin

(shunt) requerida.

2.2.4.4. Circuitos de acondicionamiento de seal para medicin de corriente y voltaje

A. El amplificador inversor

Es el primer amplificador estudiado, se llama amplificador inversor ya que a su

salida se encuentra desfasada 180 en la figura N 25 podemos observar el modelo de este amplificador

Figura N 25: Amplificador inversor.

FUENTE: ANTONIO PERTENCE JUNIOR, Amplificadores operacionales y filtros activos, pag. 39

Aplicando la ley de kirkchoff en el punto a tenemos:

(2. 52)

Suponiendo que el AOP ideal:

40 - 165

(2. 53)

Luego:

(2. 54)

Por otro lado en el punto a tenemos tierra virtual, es decir:

(2. 55)

Por tanto:

(2. 56)

Y finalmente:

(2. 57)

B. El amplificador no inversor

En este amplificador la seal de salida no presenta desfase a su salida

Figura N 26: Amplificador en modo no inversor.

FUENTE: C. J. SAVANT, Diseo Electrnico, pg. 347.

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Se realiza el anlisis para el amplificador de la figura N 26

Mediante el procedimiento:

Escribir una ecuacin en el nodo v+ para obtener:

(2. 58)

Escribir una ecuacin en el nodo v-para obtener:

(2. 59)

Hacer v+=v- y sustituir v- ya que:

(2. 60)

Entonces:

(2. 61)

Despejando la ganancia se obtiene:

(2. 62)

C. Amplificador sumador inversor

El circuito de un amplificador sumador inversor se muestra en la figura N 27. El circuito muestra un circuito amplificador sumador de tres entradas, el cual

proporciona un medio algebraico para sumar tres voltajes, cada uno multiplicado por

un factor de ganancia constante.

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Figura N 27: Amplificador sumador inversor.

FUENTE: ANTONIO PERTENCE JUNIOR, Amplificadores operacionales y filtros activos, pg. 48

Haciendo el anlisis del circuito:

Vase la presencia de la resistencia de ecualizacin para minimizar la tensin de

offset en este caso es:

(2. 63)

Aplicando la ley de kirchhoff en el punto a se tiene que:

(2. 64)

Despejando Vo se tiene:

(2. 65)

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D. El amplificador sumador no inversor

El circuito de la figura N 28 presenta la configuracin de un sumador en el que la tensin de salida no sufre inversin.

Figura N 28: Amplificador sumador no inversor.


Aplicando la ley de voltaje en el punto b se tiene que:

(2. 66)

Despejando se tiene:

(2. 67)

Donde G=1/R es la conductancia expresada en siemens.

Las resistencias R y Rf forman un amplificador no inversor dado por:

(2. 68)

44 - 165

Luego:

(2. 69)

En caso de ser R1=R2=R3 y Rf=0 tendramos:

(2. 70)

E. Rectificacin con amplificadores operacionales

Figura N 29: Circuito bsico del rectificador de media onda.


En la figura N 29.a tenemos el circuito bsico del rectificador, es bastante sencillo, pero suficiente para una introduccin al tema, En la figura N 29.b est el modelo simplificado de este circuito, cuando Vi es negativo el diodo se comporta como un

circuito abierto, y el alto valor de Ri asla la entrada de la salida impidiendo toda seal

en ella.

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Sin embargo, cuando Vi es positivo y hay una carga conectada a la salida el diodo

conduce, teniendo lugar una cada de tensin VD. analizando el modelo de la figura

tendemos:

(2. 71)

(2. 72)

Haciendo el anlisis se pueden ver cmo funcionan las anteriores ecuaciones

mediante la figura N 34.

Y tambin:

(2. 73)

Luego:

(2. 74)

Es decir:

(2. 75)

Y haciendo que Avo tienda a un valor muy grande o infinito tenemos que:

(2. 76)

El resultado de la ecuacin (2.61) muestra que si Vi es positivo y la ganancia en lazo abierto infinito, el circuito presentara en la salida la misma seal de entrada con

independencia de su nivel o amplitud (esta es una situacin ideal aunque en la

practica el valor de Vd es del orden de mili voltios o micro voltios, dependiendo de la

calidad del AOP utilizado. Ntese que la cada de tensin en el diodo (VD) quedo

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anulada al estar dividida por un factor infinito (1+Avo) en la situacin ideal. Esto

justifica la denominacin dada al circuito, ya que prcticamente no existe cada de

tensin en el diodo durante el proceso rectificacin. En la figura N 30 se muestra el rectificador de onda completa.

Figura N 30: Rectificador de onda completa con amplificadores operacionales.

FUENTE: ANTONIO PERTENCE JUNIOR, Amplificadores operacionales y filtros activos, pag. 124.

El circuito de la figura N 30 consta en realidad de un rectificador de media onda construido con amplificador operacional, que se asocia a un sumador formado por

el segundo amplificador operacional, si se toma la seal en el punto A, puede

comprobarse que se trata de una seal de media onda, que se aplica al sumador

junto con la seal de entrada de manera que en su salida se obtiene una seal de

onda completa, los diodos D1 y D2 deben ser de conmutacin rpida ,del tipo 1N914

o 1n4146, y las resistencias de pelcula metlica de tolerancia inferior al 5 %, en

aplicacin es de media y alta precisin, donde se trabaja con seales del orden de

100 mV (de pico) o menos, conviene ajustar el Offset de los amplificadores

operacionales. En el montaje citado se comprueba que la seal del punto A es de

media onda correspondiente a la rectificacin de los semiciclos positivos de la seal

de entrada. para los semiciclos negativos las seal en A ser nula y durante este

intervalo, ambas seales se suman obtenindose a la salida del amplificador

operacional 2 la seal rectificada de onda completa como se muestra en la figura N 34.

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Realizando el anlisis del funcionamiento de este rectificador vemos en la figura N 31 y figura N 32 la primera parte por la que est conformada el rectificador de onda completa que es un rectificador de media onda se realiza el estudio del

comportamiento de este circuito cuando se da el semiciclo positivo y el semiciclo

negativo.

Figura N 31: Rectificador de media onda con operacionales (semiciclo positivo)


Se puede ver que se tiene el circuito en la configuracin del circuito en modo

amplificador inversor.

Entonces su ganancia se dar por la ecuacin (2.45)

Ahora vemos el efecto del diodo sobre la corriente que circula por el circuito,

primeramente vemos por la ecuacin (2.61) que el efecto de la cada por polarizacin del diodo queda prcticamente anulada o drsticamente reducida por la ganancia del

amplificador operacional, ahora en esta seccin nos enfocamos en ver cmo se

comporta la corriente basndonos en las ecuaciones (2.56) y (2.57) en el semiciclo positivo de voltaje de entrada al circuito el diodo D1 est en bloqueo y se conduce

corriente por el diodo D2 de entrada invirtiendo y amplificado la seal de entrada en

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funcin de las resistencias Rf y Ri, como se puede ver en la figura N 31, si las resistencias Ri y Rf son iguales entonces la ganancia es unitaria.

Figura N 32: Rectificador de media onda con operacionales (semiciclo negativo)


Ahora vemos en la figura N 32 la respuesta del rectificador de media onda en el semiciclo negativo de la entrada de voltaje, podemos observar que el diodo D2 se

encuentra inversamente polarizado entonces trabaja como un circuito abierto,

basndonos en la ecuacin (2.56) vemos que cuando el voltaje de polarizacin Vi es negativo la salida del rectificador de media onda es cero

A partir de la figura N 31 y la figura N 32, se puede determinar que el funcionamiento del rectificador de media onda se da por la siguiente ecuacin.

Para Vi>0 (2. 77)

Para Vi

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El circuito de la parte de suma del amplificador operacional se puede observar en la

figura N 33.

Figura N 33: Sumador del rectificador operacional de onda completa.


Para nuestro circuito sumador en el rectificador su ecuacin de salida estar dada

por la ecuacin:

(2. 79)

Usando la ecuacin (2.65) el voltaje en el punto vA de la figura N 30 es:

Reemplazando la ecuacin (2.65) en la ecuacin (2.67) se tiene que el voltaje de salida del rectificador de onda completa esta dado por:

Si hacemos que Rf = R entonces:

(2. 80)

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Teniendo en cuenta que vi solo conduce en el semiciclo positivo de la seal se tiene

como resultado la respuesta de onda que se muestra en la figura N 34.

Podemos ver que esta parte del circuito esta sumando dos voltajes, primeramente

esta sumando la onda rectificada y amplificada al doble con la onda sinoidal de

entrada con ganancia unitaria, y despus invirtiendo toda la seal y rectificndola.

Figura N 34: Seales de entrada, salida y punto A del rectificador de onda completa.

FUENTE: ANTONIO PERTENCE JUNIOR, Amplificadores operacionales y filtros activos, pag. 124.

F. Comparadores de voltaje.

En muchas situaciones surge la necesidad de comparar dos seales entre si, siendo

una de ellas una referencia preestablecida por el diseador. Los circuitos

electrnicos destinados a esta funcin se denominan comparadores.

La salida del comparador consta de impulsos discretos que dependen del nivel de la

seal aplicada.

En realidad la salida de un comparador esta siempre en un valor alto denominado

saturacin positiva (+Vsat), o en otro bajo, llamado saturacin negativa (-Vsat), aunque

hay varias formas de limitar los niveles de energa para que no produzca la

saturacin.

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Existen dos tipos de comparadores: el no inversor y el inversor. En el primer caso la

seal de referencia se aplica a la entrada inversora del aop y la seal de la variable

que se va a comparar a la no inversora.

La figura N 35.a muestra el circuito elementa

Yosif F Castro Mayan_C725!0!2011

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